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문제 10 · 커널 방법론

문제 10 — 커널 방법론

데이터셋 {(xi,ti)i=1,,N, xiRd, tiR}이 주어졌다고 할 때, 데이터를 비선형 특징 공간feature space으로 사상시키는 함수 ϕ()를 이용하여 아래와 같은 커널 기반 회귀 문제를 정의하였다.

J(w)=12i=1N(tiwϕ(xi))2+λ2w2

위 목적함수에서 최적해 w가 다음과 같은 형태로 표현됨을 유도하라.

w=i=1Naiϕ(xi)즉, ϕ(xi)들의 선형 결합

위 결과를 이용하여 원래의 목적함수를 a에 관한 듀얼 표현dual representation으로 명확히 표현하고, a를 구하는 정규방정식을 명확히 유도하라.


먼저 J(w)를 미분한 후 0으로 두어 w를 얻는다. 이후 그 결과를 목적함수에 대입해 J(a)를 얻고(필요하면 그램 행렬Gram matrix을 정의), 다시 미분하여 0으로 두면 정규방정식을 얻는다.

풀이 및 해설

w의 형태J(w)w로 미분하여 0으로 둔다.

wJ=i=1N(tiwϕ(xi))ϕ(xi)+λw=0 w=1λi=1N(tiwϕ(xi))ϕ(xi)=i=1Naiϕ(xi)=Φa

여기서 ai=1λ(tiwϕ(xi))이고, Φi번째 행이 ϕ(xi)인 설계 행렬이다. 즉 최적해는 특징 벡터들의 선형 결합으로 표현된다.

듀얼 표현w=ΦaJ에 대입하고 그램 행렬 K=ΦΦ (Kij=ϕ(xi)ϕ(xj)=k(xi,xj))를 도입하면

J(a)=12aKKaaKt+12tt+λ2aKa

정규방정식J(a)a로 미분하여 0으로 둔다.

aJ=KKaKt+λKa=0  K(K+λIN)a=Kt

K가 가역이라 가정하면

 a=(K+λIN)1t 

새로운 입력 x에 대한 예측은 특징 벡터를 직접 계산하지 않고 커널만으로 이루어진다.

y(x)=wϕ(x)=aΦϕ(x)=k(x)(K+λIN)1t,ki(x)=k(xi,x)

이것이 커널 릿지 회귀의 듀얼 표현이며, 6주차 슬라이드의 듀얼 표현 유도와 동일한 구조이다.

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