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문제 6 · 최소제곱법 ​

문제 6 — 최소제곱법

어떤 데이터셋 {(xi,ti)∣i=1,…,N}에 대해, 다음과 같은 선형 회귀linear regression 모델이 있다.

ti=w1xi+w0+ϵi,ϵi∼N(0,σ2)

이 때, 각 매개변수 w1, w0가 최소제곱법least square method을 통해 다음의 목적함수를 최소화하여 얻어진다고 가정하자.

J(w0,w1)=∑i=1N(ti−w1xi−w0)2

이 때, 각 매개변수를 추정하는 정규 방정식normal equation을 행렬 형태로 명확히 작성하라. 데이터셋이 아래와 같이 주어진 경우, 회귀 매개변수를 추정하라.

{(xi,ti)}={(1,2),(2,4),(4,3),(5,6)}

정규방정식을 유도하려면 목적함수를 각 매개변수로 미분한 결과를 0으로 두어 정리하여야 한다.

풀이 및 해설

정규방정식 유도 — J를 w0, w1에 대해 각각 편미분하여 0으로 둔다.

∂J∂w0=−2∑i(ti−w1xi−w0)=0,∂J∂w1=−2∑ixi(ti−w1xi−w0)=0

정리하면 다음 연립방정식(정규방정식)이 된다.

(N∑ixi∑ixi∑ixi2)(w0w1)=(∑iti∑ixiti)

설계 행렬 X=(1x1⋮⋮1xN)을 쓰면 X⊤Xw=X⊤t, 즉 w=(X⊤X)−1X⊤t이다.

수치 대입 — N=4, ∑xi=12, ∑xi2=1+4+16+25=46, ∑ti=15, ∑xiti=2+8+12+30=52.

(4121246)(w0w1)=(1552)w1=N∑xiti−∑xi∑tiN∑xi2−(∑xi)2=4⋅52−12⋅154⋅46−122=2840=0.7w0=∑ti−w1∑xiN=15−0.7⋅124=6.64=1.65

따라서 추정된 회귀 직선은 t^=0.7x+1.65이다.

👉 실습(Python)에서 정규방정식 풀기

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