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케빈 머피의 Machine Learning 책을 보고 정리한 내용들입니다.

1.4 Some basic concepts in machine learning

이번 절에서는 머신 러닝에서의 주요 아이디어를 제공한다. 뒷 파트에서 더 자세히 다룰 예정이기 때문에 여기서는 간략하게만 다룬다.

1.4.1 Parametric vs non-parametric models

이 책에서는 지도 학습과 비지도 학습에 따라서 확률 모형을 다르게 구성한다. 이런 모형을 정의하는 많은 방법이 있지만, 가장 중요한 차이는 모형이 고정된 개수의 변수(Parametric)를 갖는지, 혹은 훈련 데이터의 양에 따라 개수가 증가하는지(non-parametric) 여부다. Parametric한 모형은 빠르게 사용할 수 있는 장점이 있지만 데이터분포에 대한 강한 가정(데이터 분포에 영향을 많이 받는다.)을 만들기는 어렵다. non-parametric하면 데이터 분포에 영향을 덜 받지만 계산적으로 다루기 어렵다.

1.4.2 A simple non-parametric classifier: K-nearest neighbors

non-parametric 분류기의 가장 간단한 예를 K nearest neighbor (KNN) 분류기다. 이것은 데이터 집하에서 테스트 입력 x에 가장 가까이 에 있는 K개의 포인트를 찾는 것이며, 각 클래스의 멤버가 얼마나 이 집합에 있는지 개수를 계산하고, 실험적 비율을 추정 값으로 반환한다.

1.4.3 The curse of dimensionality

KNN 분류기는 간단하며, 레이블된 훈련 데이터가 충분하게 있다면 잘 작동한다. 하지만 KNN 분류기의 주요 문제는 고차원의 입력에 대해서는 잘 작동하지 않는다는 점이다. 고차원에서 성능이 잘 나오지 않는다는 것은 curse of dimensionality(차원의 저주) 때문이다.

1.4.4 Parametric models for classification and regression

차원의 저주에 대항하는 주요 방법은 데이터 분포의 성질에 관한 가정을 만드는 것이다. 귀납적 편향성이라고 불리는 이 가정은 parametric한 모델로 구현하며, 고정된 개수의 매개변수를 가지는 통계 모형이다. 폭넓게 사용되는 두 가지의 예를 살펴본다.

1.4.5 Linear regrssion

회귀에서는 선형 회귀(Linear regression)이라고 알려져 있는 것을 주로 사용한다. 이 모형에서는 입력에 대한 식을 1차 함수로 나타낸다. 다음과 같이 식을 표현한다.

여기서 x항은 입력벡터, w는 가중치 벡터라고 하며, 이들을 scalar 곱 형태로 나타낸다. 입실론 값은 선형 예측과 실제 응답 사이의 에러를 의미한다.
이 에러는 가우시안 또는 정규 분포를 갖는 것으로 가정한다. 선형 회귀와 가우시안과의 관계를 더 명시적으로 만들기 위해 다음의 형태로 모형을 다시 작성할 수 있다.

1.4.6 Logistic regression

앞서 본 선형회귀를 두 가지만 변경한다면 일반화할 수 있다. 첫번째는 선형 회귀에서는 가우시안 분포라고 가정했던 것을 베르누이 분포라고 가정한다. y의 값이 0과 1만을 가진다면 다음과 같이 분포를 정의한다.

두 번째는 이전과 같이 식을 계산한 뒤에 0과 1 사이의 값을 가질 수 있도록 보장하는 함수인 sigmoid를 적용한다. sigmoid는 다음과 같이 적용한다.

sigmoid는 위와 같이 그래프가 그려지고, 값을 0과 1 사이의 수로 매핑하기 때문에 확률의 값을 나타낼 때 주로 사용한다. 두 변경을 모두 적용하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

이 식은 선형 회귀와 유사하기 때문에 로지스틱 회귀 분석이라고 부른다.

1.4.7 Overfitting

유연한 모델을 만들기 위해서 overfit(과적합)하지 않도록 주의해야 한다. 즉, 입력의 모든 변화를 모형화하는 것을 피해야 한다는 것으로, 이런 모형일 수록 노이즈인 경우가 많기 때문이다. 위와 같은 예시가 있을 수 있다. (b)가 모든 변화를 모형화를 한 경우에 해당된다. 하지만 실제 함수가 예시와 같이 생긴 확률을 낮기 때문에, 이런 모형을 사용해서 예측을 하는 경우 부정확한 결과를 얻을 수 있다.

1.4.8 Model selection

생략

1.4.9 No free lunch theorem

대부분의 머신 러닝의 알고리즘은 새로운 모델을 만들거나, 그것들이 적합하도록 만드는 것에 관심이 있다. 특정 문제에 대해서 최적화할 수 있지만, 모든 문제에 대해 최적의 모델은 없다. 이것을 No free lunch theorem 라고 한다. 하나의 영역에서 잘 작동하는 가정이 다른 영역에서 잘 작동하는 가정이 다른 영역에서 잘못 작동하는 경우가 있다.

케빈 머피의 Machine Learning 책을 보고 정리한 내용들입니다.

1.1 Machine Learning: what and why?

현재 우리는 빅데이터 시대에 살고 있으며, 수많은 양의 정보들을 마주하고 있다. 이러한 데이터들을 분석하기 위해 자동화된 데이터 분석 기법이 필요하게 되었고, 머신 러닝이 이러한 역할을 수행할 수 있다. 머신 러닝은 데이터의 패턴을 자동으로 인지하고, 다뤄지지 않은 패턴을 사용해 미래의 데이터를 예상하거나 불확실성 아래서 여러 종류의 결정을 선택하는 방법이다.

1.1.1 Types of machine learning

머신 러닝은 보통 두 개의 타입으로 구분할 수 있다.

1. Predictive, supervised learning
   • 레이블이 있는 입출력의 쌍이 주어졌을 때, 입력 x로 출력 y를 매핑하는 함수를 학습하는 것이 목표
   • 입력 x는 D차원 벡터로서 특징(feature), 속성(attribute), 공변량(covariance)라고 한다.
   • 출력 y는 한정된 값을 가지는 범주형 변수, 실수 값을 가지는 스칼라 변수가 있을 수 있다.
     • y가 범주형인 경우 분류(classification), 실수인 경우는 회귀(regression)이라고 한다.
2. Descriptive, unsupervised learning
   • 해당 방법에서는 입력만이 주어지고, 데이터 내의 흥미있는 패턴(interesting pattern)을 찾는 것이다.
   • 찾고자 하는 패턴이 주어지지 않기 때문에, 정의가 불분명하고, 에러를 측정할 수 있는 명확한 방법이 없다.
3. Reinforcement learning
   • 보상(reward)이 주어질 때 동작이나 행동을 배울 때 유용하다.
   • RL에 대해서는 이 책에서 자세히 다루지 않도록 한다.

1.2 Supervised learning

1.2.1 Classification

Classification의 목적은 입력 x로부터 출력 y를 매핑하는 것을 학습하는 것으로, y는 1~C의 값을 가지며, C는 class의 갯수를 의미한다. C=2인 경우에는 binary classification이라 하고, C > 2는 multiclass classification이라고 한다.
훈련 데이터에 대해서 학습을 하고 예측을 하는 것을 쉽기 때문에 classification의 주요 목적은 전에 보지 못했던 데이터들에 대해서도 답을 정확하게 예측하는 것(Generalization)이다.

1.2.1.2 The need for probabilistic predictions
주어진 입력 벡터 x와 훈련 집합 D에 대해 가능한 레이블들의 확률 분포를 나타낸다. 일반적으로 이 것은 길이가 C로 나타난다. 훈련 집합 D 뿐만 아니라 테스트 입력 x에 대한 조건부 확률이라는 것을 명시적으로 나타내기 위해 표기법에서 조건식 기호 | 의 오른쪽에 D와 x를 둔다.

확률적인 결과가 주어진다면, 다음의 식을 사용하여 레이블 값이 참인 경우에 대해 최선의 추측을 계산할 수 있다.

이 값은 가장 확률이 높은 클래스 레이블이고, 최대 사후 확률(MAP estimate) 로 알려져 있다. 해당 내용은 5.7에서 수학적인 검증을 한다.
다음과 같은 분야에서 실제로 응용되고 있다.

1. 문서 분류와 이메일 스팸 필터링
2. 꽃 분류
3. 이미지 분류와 글씨 인식
4. 얼굴 검출과 인식

1.2.2 Regression

Regression은 결과 변수가 연속적이라는 것을 제외하고 분류와 같다. 다음 그림은 단순한 예시를 보여준다.

다음은 실생활에 존재하는 Regression 문제의 예다.

• 현재 시장 상황과 다른 가능한 정보를 통해 다음 날의 주식 시장을 예측하는 것
• YouTube를 보는 사용자의 나이 예측
• 날씨 데이터와 시간, 문의 센서를 통해 건물 안의 온도를 예측하는 것

1.3 Unsupervised learning

Supervised learning과는 다르게 각 입력에 대해 기대되는 출력이 주어지지 않는다. 대신 작업을 확률 밀도 추정의 하나로 공식화한다. 즉, p(x|theta) 형태의 모형을 설계하는 것이 목표다. 이 말은 Unsupervised learning은 비조건적인 밀도 추정 문제에 해당한다.

1.3.1 Discovering clusters

Unsupervised learning의 기본이 되는 예제로 데이터를 그룹으로 clustering하는 문제다. 아래 그림은 210명의 키와 몸무게 대한 데이터들이다. 여러 개의 클러스터나 하위 그룹이 있는 것으로 보인다. K가 클러스터의 숫자를 의미한다고 하면, 첫 번째 목표는 p(K|D)를 예측하는 것이다. Supervised learning에서는 남자/여자와 같은 클래스가 있지만 Unsupervised learning은 클러스터의 갯수를 자유롭게 설정할 수 있다.
두 번째 목표는 각 데이터가 어떤 클러스터에 속하는지를 추정하는 것이다.(b)는 K=2일 때의 결과에 해당한다.

이 책에서는 model based clustering에 초점을 맞춘다. 모형 기반 클러스터링은 객관적인 방법으로 여러 모형을 비교할 수 있고, 여러 모형을 더 큰 시스템으로 조합할 수 있다.

클러스터링의 실제 응용은 다음과 같다.

• 천문학에서 천제 물리학의 측정값을 클러스터링하여 새로운 타입의 별을 발견할 수 있다.
• e-커머스에서 구입 내역과 웹 서핑을 분석하여 사용자들을 분석할 수 있고, 각 그룹에 타켓팅한 광고를 설정할 수 있다.

1.3.2 Discovering latent factors

고차원의 데이터를 처리할 때에는 데이터의 'essence'을 가지고 있는 작은 차원의 부분 공간으로 사영시키는 것이 유용하다.이것을 차원 축소라고 부른다. 아래 그림은 간단한 예시로, 3차원의 데이터를 2차원 평면으로 투영한 것이다.

2차원 데이터로 투영한 (b)는 유사한 위치에 놓여 있는 것을 보아 결과가 좋게 나왔지만, 1차원으로 축소한 (a)의 빨간 선은 결과가 좋지 못하다. (해당 내용은 12장에서 더 자세히 다룬다.)
낮은 차원의 표현은 다른 통계 모형의 입력으로 사용하면 좀 더 예측 정확도가 높아진다. 이는 불필요한 특징을 거르기 때문이다. 차원 축소를 위한 가장 일반적인 접근은 주성분분석(Principal Componenet Analysis, PCA) 이다. 이는 linear regression의 비지도 버전과 같다. 고차원 응답 y를 관찰하지만, 저차원의 '원인' z는 발견하지 못한다. 이 모델은 z -> y 형태를 가지고 , 화살표를 뒤집어서 관찰된 고차원 y를 통해 잠재된 차원 z를 추정해야 한다.

1.3.3 Discovering graph structure

상관관계가 있는 변수를 측정하고, 가장 관련이 있는 것을 발견하려는 때가 있다. 이러한 구조는 그래프로 표현할 수 있다. 노드는 변수를 표현하고, 엣지는 변수 사이의 의존 관계를 표현한다.

1.3.4 Matrix completion

데이터가 손실되는 경우가 있다. 즉, 변수의 값을 모르는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 이렇게 손실된 데이터에 타당한 값을 추정하는 것이며, 이것을 매트릭스 완성이라고 한다.