LEE CHANWOO

📝 Blog 2024 version 1.5.2
🔖 JUN 29, 2024

4 분 소요

키워드🔑
과대적합방지, 데이터 증강, 모델복잡도감소, 가중치규체, L1규제, L2규제, 드롭아웃,
매개변수최적화, 확률적 경사 하강법, 모멘텀, AdaGrad, Adam,
취합방법론, 다수결, 배깅, 페이스팅, 랜덤서브스페이스, 랜덤패치, 랜덤포레스트,
부스팅방법론, 에이다부스트, 그래디안트부스트

01. 분석 모형 평가 및 개선

2. 분석모형 개선

1) 과대 적합 방지


(1) 과대 적합(Over-fitting)
📌 지나친 학습 → 일반화↓

  • 과대 적합
    • 제한된 학습데이터셋에 지나치게 특화되어 새로운 데이터에 대한 오차가 매우 커지는 현상
  • 과대 적합이 발생하는 경우
    • 모델 파라미터 개수 많음
    • 학습데이터셋 부족
  • 일반화(Generalization): 테스트데이터에 대해 높은 성능을 갖춤 / 정상추정함 / 과소&과대적합 X
    • 과소 적합
      • 지나치게 단순한 모델
      • 데이터에 내재된 구조를 학습하지 못함
    • 과대 적함
      • 지나치게 학습데이터에 적합
      • 일반화 떨어짐


(2) 과대 적합 방지
📌 데이터 증강 / 모델 복잡도 감소 / 가중치 규체 / 드롭아웃

  • 데이터 증강(Data Augmentation)
    • 데이터 양이 적을 경우, 데이터를 변형하여 양을 늘림
  • 모델 복잡도 감소
    • 은닉층 개수 감소/모델 수용력 낮춤 → 모델 복잡도 줄일 수 있음
  • 가중치 규제 적용: 개별 가중치 값을 제한 → 복잡한 모델을 간단하게
    • 비용함수(Cost Function): 관측값과 연산값의 차이를 도출
      • 비용함수 최소화를 위해서, 가중치들이 작아져야 함
    • λ = 규제 강도를 정하는 하이퍼 파라미터
      • λ 값이 크면, 가중치 규제를 위해 추가한 항들을 작게 유지하는 것을 우선함
    • L1 규제: 모든 가중치들의 절댓값 합계를 비용함수에 추가 → λ w
    • L2 규제: 모든 가중치들의 제곱합을 비용함수에 추가 → (1/2) λw²
  • 드롭아웃(Dropout): 학습 과정에서 신경망 일부를 사용하지 않음
    • 특정 뉴런/조합에 너무 의존적인 인공신경망이 되는 것을 방지
    • 매번 랜덤으로 뉴런 선택 → 서로 다른 신경망들을 앙상블하는 것과 같은 효과
    • 신경만 학습 과정에서만 사용하는 기법
    • 예측 과정에서는 드롭아웃을 사용하지 않음
  • 드롭아웃 유형: 초기(DNN) / 공간적(CNN) / 시간적(RNN) 드롭아웃
    • 초기 드롭아웃 - DNN에서 사용
      • p의 확률로 노드들을 생략하여 학습함
      • 일반적으로 p = 0.5
    • 공간적 드롭아웃 - CNN에서 사용
      • 피처맵 내 노드 전체에 대해 드롭아웃 적용 여부를 결정함
    • 시간적 드롭아웃 - RNN에서 사용
      • 노드가 아닌, 연결선 일부를 생략하여 학습함(Drop Connection)

2) 매개변수 최적화


(1) 매개변수(Parameter)
📌 데이터 학습을 통해 모델 내부에서 결정되는 변수


(2) 매개변수 최적화(Parameter Optimization)

  • 손실함수(Loss Function): 학습모델의 출력값과 레이블 실제값의 차이(오차)
  • 모델 학습의 목적 = 매개변수 최적화
    • 손실함수의 값을 최소화하는 매개변수를 찾는 것
    • 오차를 최소화하는 가중치와 편향을 찾는 것


(3) 매개변수 종류
📌 가중치 & 편향

  • 가중치(Weight)
    • 곱
    • 입력값마다 각기 다르게 곱해지는 수치
    • y = ax+b에서 절편 a 해당
  • 편향(Bias)
    • 합
    • 가중합에 더해주는 상수
    • y = ax+b에서 기울기 b에 해당


(4) 매개변수 최적화 기법
📌 확률적 경사 하강법 / 모멘텀 / AdaGard / Adam

  • 2차원 손실함수 그래프를 이용하여 매개변수 최적화를 수행
    • X축 = 가중치(Wi)
    • Y축 = 손실값(=오차)
    • 그래프에서 기울기 = 0인 지점 = 손실값이 최소화되는 지점 = 최적의 매개변수를 찾을 수 있음
  • 매개변수 최저고하 과정은 학습률에 따라서 달라짐
    • 학습률 적음 → 매우 느린 학습 → 최적화에 많은 시간 소요
    • 학습률 높음 → 기울기 = 0 지점을 지나침 → 최적화 실패
    • 학습률 적당 → 기울기 = 0 지점 찾음 → 최적화 성공
확률적 경사 하강법 모멘텀 AdaGrad Adam
SGD; Stochastic
GradientDescent		 Momentum Adaptive Gradient
Algorithm		 Adaptive Moment
Estimation
image image image image
- 먼저 손실함수 기울기 구함
→ 기울기따라 조금씩 아래로
→손실함수 최소 지점 도달
- 최적점 근처에서 느리게 진행		 -모멘텀 = SGD + 속도
- 기울기 방향으로 가속됨		 -학습률 감소 기법을 적용
- 기울기 큰 부분에서 크게 학습
-최적점에 가까워질수록
학습률 줄임 → 조금씩적게 학습		 - Adam = 모멘텀 + AdaGrad
- 탐색경로 또한 모멘텀과
AdaGrad를 합친 양상
경로: 지그재그로 크게 변함 공이 그릇 바닥을 구르듯 움직임
지그재그 정도 덜함		 처음에는 큰폭이었다가
→갱신 움직임 크게 줄어듦		 공이 그릇 바닥을 구르듯 움직임
모멘텀보다 좌우 흔들림 적음
  • 확률적 경사 하강법(SGD)
    • 기울기를 구할 떄 1개의 데이터를 무작위로 선택함(확률적)
    • 문제점: 지역극소점에 갇히는 문제 자주 발생
      • 손실함수 그래프에서 지역극소점(Local)에 갇혀서, 전역극소점(Global)을 찾지 못하는 경우가 많음
      • 손실함수가 방향에 따라 기울기가 달라지는 비등방성 함수일 경우 매우 비효율적
    • SGD의 단점 개선을 위해 고안됨 방법론들이 모멘텀/AdaGrad/Adam
    • 탐색경로: 지그재그로 크게 변함
  • 모멘텀(Momentum)
    • SGD + 속도
    • 기울기가 줄어도 누적된 기울기 값에 의해 → 탐색경로의 변위가 줄어들어서 → 빠르게 최적점으로 수렴
    • X축의 한 방향으로 일정한 가속 / Y축 방향 속도는 일정하지 않음
    • 관성의 방향을 고려하여, 진동과 폭을 줄이는 효과
    • 모멘텀 갱신경로
      • 공이 그릇 바닥을 구르듯 움직임
      • SGD보다 지그재그 덜함
  • AdaGrad(Adaptive Gradient Algorithm)
    • 학습 진행할수록 학습률 감소시킴
    • 학습률 감소 기법 적용
      • 손실함수 처음 부분: 기울기 큼 → 학슴률 큼
      • 최적점에 가까워짐: 기울기 감소 → 학습률 줄여서 조금씩 작게 학습
    • 최적점 탐색경로
      • 손실함수 처음 부분: y축 방향으로 기울기 큼 → 큰 폭으로 움직임
      • 최적점에 가까워짐: y축 방향으로 갱신 강도 빠르게 감소 → 큰 폭으로 작아짐
    • 각각의 매개변수에 맞는 학습률 값을 만들어줌
    • 탐색경로: 지그재그 움직임이 빠르게 줄어든다
  • Adam(Adaptive Moment Estimation)
    • 모멘텀 + AdaGrad
    • Adam 갱신경로
      • 모멘텀처럼 공이 그릇 바닥을 구르듯 움직임
      • 모멘텀보다 좌우 흔들림 적음

3) 분석 모형 융합


(1) 취합 방법론(Aggregation)
📌 다수결 / 배깅 / 페이스팅 / 랜덤 서브스페이스 / 랜덤 패치 / 랜덤 포레스트

다수결
(Majority Voting)		 배깅
(Bagging)		 페이스팅
(Pasting)		 랜덤
서브스페이스		 랜덤
패치		 랜덤
포레스트
-여러모형 결과 종합
-다수결로 최종 설정
-직접투표: 단순투표
-간접투표: 가중치		 -복원추출로
학습데이터 나눔
-중복 허용하므로
편향가능성 있음		 -비복원추출로
학습데이터 나눔
-중복사용X		 -다차원 독립변수 중
일부 차원만 선택
-즉, 특성 샘플링
-학습데이터는
모두 사용함		 -종속&독립변수
일부만 랜덤사용
-학습데이터, 특성
모두 샘플링		 -의사결정나무결합
-독립변수 차원을
랜덤하게 감소시킴
그 중에서 선택
-모형성능 변동감소


(2) 부스팅 방법론(Boosting)
📌 에이다 / 그래디언트 부스트

  • 에이다 부스트(AdaBoost) = 적응 부스트(Adaptive Boost)
    • 약한 모형 각각을 순차적으로 적용하는 과정에서 잘 분류된 샘플 사중치 낮추고 오 분류된 샘플 가중치 높여서 샘플 분포를 변화시키는 기법
  • 그레디언트 부스트(Gradient Boost)
    • 약한 모형 각각을 순차적으로 적용하는 과정에서 오 분류된 샘플 에러를 최적화하는 기법

4) 최종 모형 선정


(1) 최종 모형 선정 절차
📌 최종 모형 평가 기준 선정 → 최종 모형 분석 결과 검토 → 알고리즘별로 결과 비교

  • 평가 기준 선정: 정확도/재현율/징밀도 등의 평가지표 이용
  • 분석 결과 검토: 평가 기준, 실질적인 활용 가능성에 대한 검토
  • 알고리즘별 결과 비교: 알고리즘별로 파라미터를 변경하며 수행 → 변경 전후의 차이점 비교, 결과 기록

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