손실함수와 회귀식

 

📌 선형회귀에 대하여

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우선 선형회귀의 경우 Supervised learning으로 지도 학습의 일종입니다. 먼저 가정을 해봅시다.

 

$X$ : input으로 perdictors, covariates, independent variables, features 등으로 불리웁니다.
저같은 경우 feature라고 많이 부르는거 같아요

 

$Y$ : output으로 reponse variable, dependent variables 등으로 불립니다.
제 전공인 심리학에서는 보통 dependen variables라고 많이 불리우는데 저는 그냥 output으로 부르는게 편하더라구요

 

$n$ : observations으로 distinct data points의 개수 입니다.

 

$p$ : variables의 수입니다.

 

$n, p, X$ 와의 관계를 확인해보면 아래와 같을 겁니다.

 

 

이를 벡터$\textbf{x}$ 로 표현하면 $\textbf{X} = (\textbf{x}_1, ..., \textbf{x}_p)$ 가 되겠네요. 우리가 흔히 보는 선형회귀식에 대해서 봅시다.

 

$$
E[Y|X=x] = \beta_0 + \beta_1x + \epsilon
$$

 

이런 식으로 표현되죠. 그런데 우리는 앞의 E[~] 부분을 그냥 Y로 축약해서 사용합니다.

 

$$
Y = \beta_0 + \beta_1x + \epsilon
$$

 

이런 식으로 말이죠. 왜 선형회귀식이 저런 함수로 도출되는지 알아봅시다.

 

 

❓ 왜???

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우선 앞선 가정을 한번 다시 봅시다. $X$는 $p$차원이고, $Y$의 경우 단일 차원입니다. 이 때 joint probability는 $P(x,y)$가 되겠죠.

 

우리가 원하는 것은 $f(x) = \hat{Y}$를 찾는 것입니다. 즉, $X$가 주어질 때 $Y$를 얻을 수 있는 함수를 얻는 것입니다.

이를 위해선 결국 loss function이 필요합니다.

 

가장 흔히 쓰이는 loss function으로는 square loss가 많이 쓰이죠.

 

$$
L(a,b) = (a-b)^2
$$

 

해당 식에서 $a,b$에 $Y, f(x)=\hat{Y}$ 를 대입해봅시다.

$$
L(Y,f(X)) = (Y-f(X))^2
$$

 

이는 실제 $Y$값과 예측된 $\hat{Y}$값의 차이 제곱을 나타내며 이를 최소화해야 합니다.

 

여기서 모델의 예측 오차는

 

$$
E(Y-f(X))^2 = E_X[E_{Y|X}([Y-f(X)]^2|X)]
$$

 

우변을 보시면 우선 $X$조건에서 $Y$에 대해 평균화하여 $f(X)$가 fix된 상태에서 원 $Y$값 과의 차이 제곱값을 평균화합니다.

이는 결국 fix되지 않은 $Y$에 대한 함수가 되니까 $X$에 대한 평균을 하면 좌항과 같이 전체 평균이 되는 겁니다.

이를 최소화 하기 위한 $f(X)$값을 찾아야합니다.

 

 

📌 예측 오차 최소화

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한번 최소화하는 $f(x)$값을 찾아보죠. 예측 오차 식을 풀어써봅시다.

 

$$
\begin{align}
E([Y-f(X)]^2|X=x) &= f(X)^2 - 2E(Y|X=x) +E(Y^2|X=x)
\\ &= (f(X)-E(Y|X=x))^2 +Var(Y|X=x)
\end{align}
$$

 

가 될텐데요. 결국 해당 식을 가장 최소화 시키는 법은 f(X)가 E(Y|X=x)과 같아진다면 우변의 첫 항이 없어지므로 최소가 되겠네요. 따라서

 

$$
f(x) = \arg \min_{f(X)} E_{Y|X}([Y-f(X)]^2|X=x) = E(Y|X=x)
$$

가 됩니다.

 

이렇기 때문에!! 맨처음 보았던 E(Y|X=x)가 선형 회귀식의 표현이 되는 겁니다.

 

$$
E[Y|X=x] = \beta_0 + \beta_1x + \epsilon
$$

 

문제

 

그런데 문제가 있죠. 결국 이 $E[Y|X=x] = f(X)$를 알려면 분포 구조를 알아햐 합니다.($(P(x,y))$를 알아야.)

그렇기 때문에 우리가 선형회귀를 사용할 때 정규성 가정을 하는 것입니다.

분포를 다변량 정규분포라고 가정하면 회귀선이 linear하게 나오기 때문에 선형 회귀라고 하는 겁니다.

문제는 실제로 모든 분포가 정규분포를 따르지는 않을 거에요. 그래서 다양한 모델로 모델링 하는 것입니다.

 

절대 오차 loss를 사용한다면

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loss function으로 square loss가 아닌 absolute error loss $L(a,b) = |a=b|$를 사용할 때를 한번 봅시다.

 

위 선형회귀와 똑같이 $Y, f(X)$를 대입해준다면

 

$$
L(X,f(X)) = |Y-f(x)|
$$

 

이를 풀어 써준다면

$$
E_{Y|X}(|Y-f(X)|X=x) = \int^\mu_{-\infty}(\mu-y)f_{Y|X=x}(y)dy + \int^\infty_{\mu}(y-\mu)f_{Y|X=x}(y)dy
$$

여기서 $\mu$에 대해 미분해줍시다.

 

$$
\begin{align}
\dfrac{d}{d\mu} E_{Y|X}(|Y-f(X)|X=x) &= \int^\mu_{-\infty}f_{Y|X=x}(y)dy - \int^\infty_{\mu}f_{Y|X=x}(y)dy
\\ &= P(Y \le \mu|X=x) - P(Y > \mu|X=x)
\\ &= 2[P(Y \le \mu|X=x)-\frac12]
\end{align}
$$

 

해당 식의 우변을 보면, $P(Y \le \mu|X=x)$는 주어진 $X=x$에서 $Y$가 $\mu$이하일 확률을 나타내고,

$P(Y > \mu|X=x)$는 주어진 $X=x$에서 $Y$가 $\mu$보다 클 확률을 나타냅니다.

그리고 이둘의 차이를 1/2로 뺀 것이 $2[P(Y \le \mu|X=x)-\frac12]$입니다.

 

만약 f(X)가 median(Y|X=x)에 가까워 진다면? 즉 모델이 Y의 조건부 중앙값을 예측하는 경향이 있다면, $P(Y ≤ μ|X=x), P(Y > μ|X=x)$ 이둘을 서로 거의 같아 지게 됩니다. 그렇다면 위 식을 0에 가까워 지게 되겠죠.

그렇기 때문에 절대 오차 손실 함수를 최소화하는 f(X)가 $median(Y|X=x)$에 가까워 지게 됩니다.

 

$$
f(x) = \arg \min_f(x) E_{Y|X}(|Y- f(X)||X=x) = median(Y|X=x)
$$