for textmining

Regularized Linear Regression

|

이번 글에서는 회귀계수들에 제약을 가해 일반화(generalization) 성능을 높이는 기법인 Regularized Linear Regression에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 이번 글 역시 고려대 김성범 교수님, 같은 대학의 강필성 교수님 강의, 미국 스탠포드 대학의 CS231n 강의 노트 일부를 정리했음을 먼저 밝힙니다. 그럼 시작하겠습니다.

정규화의 목적

정규화(regularization)란 회귀계수가 가질 수 있는 값에 제약조건을 부여하는 방법입니다. 미래데이터에 대한 오차의 기대값은 모델의 Biasvariance로 분해할 수 있는데요. 정규화는 variance를 감소시켜 일반화 성능을 높이는 기법입니다. 물론 이 과정에서 bias가 증가할 수 있기는 하지만요. 정규화의 이론적 배경인 Bias-Variance Decomposition에 대해 살펴보시려면 이곳을 참고하시기 바랍니다.

정규화의 결과를 직관적으로 나타낸 그림은 아래와 같습니다. 하단좌측 그림은 학습데이터를 정말 잘 맞추고 있지만, 미래 데이터가 조금만 바뀌어도 예측값이 들쭉날쭉할 수 있습니다. 반면 우측 그림은 가장 강한 수준의 정규화를 수행한 결과인데요. 학습데이터에 대한 설명력을 다소 포기하는 대신 미래 데이터 변화에 상대적으로 안정적인 결과를 냅니다.

일반 선형회귀 모델

정규화는 일반 선형회귀 모델(Ordinary Linear Regression Model)에서 도출된 회귀계수들에 제약을 가하는 방법론입니다. 일반 선형회귀 모델은 종속변수($y$)의 실제값과 모델의 예측값 사이의 평균제곱오차(Mean Square Error)를 최소화하는 회귀계수들의 집합을 가리킵니다. 이러한 회귀계수를 뽑는 데 쓰는 기법을 최소자승법(Least Squares Method)라고 합니다.

우리가 가진 학습데이터의 독립변수가 $k$개, 관측치가 $n$개라고 칩시다. 그러면 이로부터 도출할 수 있는 일반 선형회귀 모델을 행렬 형태로 나타내면 다음과 같습니다. 아래 행렬에서 1은 회귀모델의 상수항에 대응하는 값입니다.

이를 행렬식으로 간단히 나타내면 다음과 같습니다. 독립변수로 구성된 행렬 $X$, 종속변수로 구성된 벡터 $y$는 우리가 이미 가지고 있는 학습데이터이고 벡터 y-hat은 모델이 예측한 값입니다. 회귀계수 벡터 $β$가 모델 구축 결과물입니다.

최소자승법은 실제값과 예측값의 MSE를 최소화하도록 합니다. 아래와 같이 쓸 수 있습니다.

최소자승법의 해인 회귀계수 벡터 $β$는 위 식을 $β$로 미분한 식을 0으로 놓고 풀면 다음과 같이 명시적으로 구할 수 있습니다.

이렇게 구한 $β$는 bias가 없는 추정량 가운데 variance가 가장 작다고 합니다. 이름하여 Best Linear Unbiased Estimator(BLUE)입니다. 앞으로 설명해드릴 정규화 기법들은 bias를 소폭 허용(희생)하면서 variance를 줄이는 방법론이라고 할 수 있겠습니다.

릿지회귀

릿지 회귀(Ridge Regression)란 평균제곱오차를 최소화하면서 회귀계수 벡터 $β$의 $L_2$ norm을 제한하는 기법입니다. 선형회귀 모델의 목적식(MSE 최소화)과 회귀계수들에 대한 제약식을 함께 쓰면 아래와 같습니다. 여기에서 $λ$는 제약을 얼마나 강하게 걸지 결정해주는 값으로 사용자가 지정하는 하이퍼파라메터입니다.

릿지회귀의 해인 회귀계수 벡터 $β$는 위 식을 $β$로 미분한 식을 0으로 놓고 풀면 다음과 같이 명시적으로 구할 수 있습니다.

평균제곱오차뿐 아니라 $β$의 $L_2$ norm 또한 최소화하는 것이 릿지 회귀의 목적입니다. 우선 아래 예시 표를 볼까요?

MSE 기준으로는 벡터 $β$의 첫번째 요소 $β_1$과 두번째 요소 $β_2$가 각각 4, 5여야 최소입니다. 일반 선형회귀 모델이었다면 (4,5)가 회귀계수로 결정됐을 겁니다.

하지만 여기에 $β_1^2+β_2^2$이 30 이하여야 한다는 제약을 가해 봅시다. 그러면 표 상단 세 가지 경우의 수는 고려에서 제외됩니다. 제약을 만족하는 나머지 세 개 가운데 MSE가 최소인 (2,4)를 회귀계수로 결정하는 것이 릿지 회귀의 방식입니다.

릿지회귀의 기하학적 이해

우리가 찾아야 하는 최적 회귀계수 벡터 $β$를 [$β_1, β_2$]라고 두겠습니다. 평균제곱오차를 식으로 쓰면 다음과 같습니다. (아래 식의 모든 요소는 스칼라값입니다)

위 식을 자세히 보시면 MSE는 $Aβ_1^2+Bβ_1β_2+Cβ_2^2+Dβ_1+Eβ_2+F$ 형태의 원추곡선(conic equation)이 됩니다. 타원, 쌍곡선, 원, 포물선은 원추곡선의 특수한 경우에 해당하는데요. 판별식 $B^2-4AC$이 0보다 작으면 타원 형태가 된다고 합니다. 위 식에서 판별식을 계산해 보면 코시-슈바르츠 부등식 조건에 의해 0 이하가 됩니다.

따라서 MSE가 같은 [$β_1, β_2$]의 자취를 그려보면 타원 모양이 된다는 겁니다. 바로 아래 그림처럼요.

좌측상단 그림에서 타원 모양의 녹색 실선은 MSE가 동일한 [$β_1, β_2$]의 자취입니다. $β^{LS}$라고 표시된 검정색 점은 일반 선형회귀 모델의 결과로, MSE가 최소가 되는 지점입니다. 여기에서 멀리 떨어져 있는 타원일 수록 MSE가 점점 커진다고 이해하면 좋을 것 같습니다.

좌측상단 그림에서 파란색 원은 $β$의 $L_2$ norm이 동일한 [$β_1, β_2$]의 자취입니다. 원의 반지름이 작아질 수록 $L_2$ norm이 감소하고, 그만큼 제약이 커진다고 이해하면 좋을 것 같습니다. 다시 말해 하이퍼파라메터 $λ$가 클수록 $β$의 $L_2$ norm이 줄어듭니다.

우리가 특정 $λ$을 지정해 $β_1^2+β_2^2$이 $t_3$ 이하가 되도록 제약을 가했다고 가정해 봅시다. 그러면 릿지 회귀 기법은 이러한 제약을 만족하면서도 MSE가 최소인 지점에 해당하는 [$β_1, β_2$]를 찾게 됩니다. 위 예시 기준으로는 $β^{LS}$라고 표시된 검정색 점과 가장 가까운 점이 릿지 회귀의 결과가 될 겁니다.

하이퍼파라메터 $λ$를 0으로 두면 릿지 회귀의 제약식($λβ^Tβ$)이 사라지기 때문에 일반 선형회귀 모델의 결과와 동일한 회귀계수들을 얻을 수 있습니다. 하지만 $λ$가 커질수록(=$t$가 작아질수록) 회귀계수들에 가해지는 제약이 커져서 계수들의 값이 점점 줄어드는 모습을 우측상단 그래프에서 확인할 수 있습니다.

마지막으로 릿지회귀에서의 ridge는 산등성이라는 뜻을 가졌는데요. 위 그림에서처럼 MSE와 제약식이 가지는 자취가 산등성이 모양을 지녀서 이런 이름이 붙은 것 아닌가 생각합니다.

라쏘회귀

라쏘회귀(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)의 목적식과 제약식을 한번에 쓰면 다음과 같습니다. 릿지회귀와 동일하지만 $L_1$ norm을 제약한다는 점이 다릅니다.

요소 개수가 $p$개인 회귀계수 벡터 $β$의 $L_1$ norm은 각 요소에 절대값을 취한 뒤 모두 더해 구합니다. 아래와 같습니다.

$L_1$ norm은 미분이 불가능하기 때문에 라쏘회귀의 경우 해를 단박에 구할 수 없습니다. 이 때문에 numerial 기법들이 다양하게 제시됐습니다.

라쏘회귀의 기하학적 이해

우리가 찾아야 하는 최적 회귀계수 벡터 $β$를 [$β_1, β_2$]라고 두고, 이를 그림으로 나타내면 다음과 같습니다.

MSE가 동일한 [$β_1, β_2$]의 자취는 릿지회귀 때와 마찬가지로 타원입니다. 제약식은 $L_1$ norm(절대값)을 썼기 때문에 $L_2$ norm이 동일한 [$β_1, β_2$]의 자취는 마름모 꼴이 됩니다.

파란색 마름모 꼴의 제약 범위 내에서 MSE가 최소인 점은 $β_2$축 위의 검정색 점입니다. 이 점은 바로 $β_1=0$인 지점인데요. $β_1$이 0이라는 이야기는 그에 대응하는 독립변수 $x_1$이 예측에 중요하지 않다는 말과 같습니다.

이처럼 라쏘회귀는 예측에 중요하지 않은 변수의 회귀계수를 감소시킴으로써 변수선택(Feature Selection)하는 효과를 낸다고 합니다.

엘라스틱넷

엘라스틱넷(Elastic Net)은 제약식에 $L_1, L_2$ norm 모두 쓰는 기법입니다. 목적식과 제약식을 한번에 쓰면 다음과 같습니다.

릿지회귀 vs 라쏘회귀 vs 엘라스틱넷

세 가지 방법을 비교한 표는 다음과 같습니다.

구분 릿지회귀 라쏘회귀 엘라스틱넷
제약식 $L_2$ norm $L_1$ norm $L_1$+$L_2$ norm
변수선택 불가능 가능 가능
solution closed form 명시해 없음 명시해 없음
장점 변수간 상관관계가 높아도 좋은 성능 변수간 상관관계가 높으면 성능↓ 변수간 상관관계를 반영한 정규화
특징 크기가 큰 변수를 우선적으로 줄임 비중요 변수를 우선적으로 줄임 상관관계가 큰 변수를 동시에 선택/배제

세 기법의 제약식의 자취를 그림으로 나타내면 아래와 같습니다. (녹색 점선=릿지회귀, 검정색 점선=라쏘회귀, 파란색 도형=엘라스틱넷)

기타 정규화 기법들

인접한 변수들을 동시에 선택하는 Fused Lasso, 사용자가 정의한 그룹 단위로 변수를 선택하는 Group Lasso, 사용자가 정의한 그래프의 연결 관계에 따라 변수를 선택하는 Graph-Constrained Regularization 등이 있습니다.

딥러닝과의 연계

이미지가 주어졌을 때 해당 이미지가 고양이인지 개인지 배인지를 맞추는 문제를 푼다고 칩시다. 다음과 같이 다범주 선형회귀 모델을 만들 수 있습니다.

여기서 하나 상상해 봅시다. 만약 입력데이터 $x$가 [1, 1, 1, 1]이고 cat score를 만드는 데 쓰이는 가중치 벡터($W$의 첫 행벡터) $w_1$이 [1, 0, 0, 0]이라 칩시다. dog score를 만드는 가중치 벡터 $w_2$는 [0.25, 0.25, 0.25, 0.25]라 칩시다. 이렇게 되면 $w_1x=w_2x=1$이 되어 같은 결과를 냅니다. 다만 차이가 있습니다. $w_1$은 데이터의 특정 영역만 보고 dog인지 판단한다면, $w_2$는 데이터를 전체적으로 보고 판단한다는 겁니다.

이번엔 ship score를 내는 $w_3$가 [2, 2, 2, 2]라고 칩시다. $w_3x=8$이 되어 최종적으로 이 그림이 ship으로 분류되게 됩니다. 그런데 이렇게 되면 ship이라는 클래스가 cat이나 dog보다 더 큰 영향력을 발휘하게 되어 결과적으로 미지의 데이터에 대한 일반화 성능이 떨어지게 됩니다(어떤 그림이 들어와도 ship이라고 분류). 손실 최소화와 동시에 정규화(regularization)를 하는 이유입니다. 위 예시에서 $w_1$의 L2 norm은 1, $w_2$는 0.25, $w_3$은 16입니다.

Comments