모두를 위한 딥러닝 - 정리 (1~6)

모두를 위한 딥러닝 : www.youtube.com/watch?v=BS6O0zOGX4E&list=PLlMkM4tgfjnLSOjrEJN31gZATbcj_MpUm&index=2

lecture만 정리

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ML lec 01 - 기본적인 Machine Learning의 용어와 개념 설명

Machine Learning

프로그램 자체가 데이터를 학습하는 것

 

• Supervised learning : 레이블된 데이터(training set)를 가지고 학습을 하는 것 
  • Types of supervised learning : regression, binary classification, multi-label classification
  • 들인 시간에 따른 시험 성적 예측 : regression
  • 들인 시간에 따른 Pass/non-pass 여부 : binary classification
  • 들인 시간에 따른 알파벳 : multi-label classification

 

• Unsupervised learning : 레이블되어있지 않은 데이터를 가지고 학습을 하는 것

 

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ML lec 02 - Linear Regression의 Hypothesis와 cost 설명

 

Regression model을 학습하기 위해서는 하나의 가설을 세울 필요 있음

 

• (Linear) Hypothesis : 어떤 데이터에 맞는 linear한 선을 찾는다. 
  • -> 선을 찾는 과정 : "학습"
  • $H(x) = Wx+b$
    • H는 가설, W와 b에 따라 선의 모양이 변함

 

• 어떤 선이 데이터에 가장 적합할까?
  • W와 b를 찾기
  • Cost function : 실제 데이터와 가설이 나타내는 직선 상의 점들과의 거리를 계산
    • $cost(W,b) = {1\over m} \sum_{i=1}^m(H(x^{(i)})-y^{(i)})^2$
    • 가장 작은 값을 가지는 W,b를 찾기 

 

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ML lec 03 - Linear Regression의 cost 최소화 알고리즘의 원리 설명

Gradient descent algorithm (경사하강법)

• Minimize cost function
• 여러 minimization 문제에 사용됨
• cost를 최소화 하기 위한 W, b를 찾음

동작 원리

• W와 b를 변화시키며 cost(W,b)를 줄여감
• 어떤 지점에서 시작하든지 최저점에 도달할 수 있음
• 경사는 미분으로 구함

cost function 이해하기 쉽게 변환

$cost(W) = {1\over 2m} \sum_{i=1}^m(Wx^{(i)})-y^{(i)})^2 $

$W := W - \alpha {\partial\over{\partial W}}cost(W) $

 

미분 완료한 최종 식

$W:=W - \alpha {1\over m} {\sum_{i=1}^m (Wx^{(i)}-y^{(i)})x^{(i)}}$

해당 식을 반복하여 W를 변화시키며 cost를 minimize하는 값을 찾음

 

※cost function의 모양이 Convex function인지를 확인하고 gradient descent algorithm을 사용해야 함

 

 

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ML lec 04 - multi-variable linear regression

regression using multi-variable

$H(x_1, x_2, x_3, ..., x_n) = w_1x_1 + w_2x_2 + w_3x_3 + ... + w_nx_n + b$

 

$cost(W,b) = {1\over m} \sum_{i=1}^m(H(x_1^{(i)}, x_2^{(i)}, x_3^{(i)}, ... x_n^{(i)})-y^{(i)})^2 $

 

=> matrix multipliction 사용

 

Hypothesis using matrix

$\begin{pmatrix} x_1 & x_2 & x_3\end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} w_1 \\ w_2 \\ w_3 \end{pmatrix} = (x_1w_1 + x_2w_2 + x_3w_3)$

$H(X) = XW$

=> 인스턴스가 더 많아져도 동일한 방식으로 적용 가능

 

X matrix의 크기 : [instance 개수, variable 개수]

H(X) matrix의 크기 : [instance 개수, output 개수 n]

=> W의 크기를 결정해야 함 : [variable 개수, output 개수 n]

 

• Lecture (theory) : $H(x) = Wx+b$
• Implementation (TensorFlow) : $H(X) = XW$

 

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ML lec 05 - Logistic Regression 

Logistic (regression) classification

Classification : 분류 (binary classification(0,1 encoding))

 

Logistic Hypothesis

$H_L(X) = WX$

$z = H_L(X) , g(z)$

$g(z) = {1 \over {1+e^{-z}}}$

$H_R(x) = g(H_L(x))$

sigmoid : 0과 1 사이의 값을 가짐

 

$H(X) = {1 \over {1+e^{-W^TX}}}$

 

New cost function for logistic

$cost(W, b) = {1 \over m} \sum_{i = 1}^m (H(x^{(i)}) - y^{(i)})^2$

=> 그래프의 모양이 달라서 어느 지점에 시작하느냐에 따라 최저점이 다름 (global minimum이 아니라 local minimum을 찾게됨) => 해당 cost function 사용 불가

 

New cost function

$cost(W) = {1 \over m}\sum c(H(x), y)$

 

$c(H(x), y) = \begin{cases} -log(H(x)), & \mbox{: }\mbox{ y = 1} \\ -log(1-H(x)), & \mbox{: }\mbox{ y = 0} \end{cases}$

 

위의 식을 한 줄로 편하게 변환

 

$C(H(x), y) = -ylog(H(x)) - (1-y)log(1-H(x))$

 

Minimize cost - Gradient decent algorithm

$cost(W) = -{1 \over m}\sum ylog(H(x)) + (1-y)log(1-H(x))$

 

$W := W - \alpha {\partial \over {\partial W}}cost(W)$

 

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ML lec 06 - Softmax classification  

Y : real data, $\bar{Y}$ : 예측값 ($\bar{Y} = H(X)$)

Multinomial classification

2개가 아닌 n개로 분류하는 경우 -> binary classification을 통해 구분하는 n개의 선을 찾아야 함

n번 독립적으로 계산하기보다 한 번으로 합치는 것이 나음 (matrix multiplication 사용)

각각의 $\bar{Y}$ 에 sigmoid를 적용해야 할까?

 

softmax

Logistic classifier(WX=Y)의 결과인 $\bar{y}$ 들은 각각 값을 가지고 있을 것 -> softmax 사용하여

1. 0~1사이의 값
2. 전체의 합이 1 (확률)

이 되도록 함

 

그 중 하나만 골라야 할 때 -> One-hot encoding

• 제일 큰 값을 1로, 나머지는 0으로

 

Cross-entropy cost function

cost function : 예측이 맞았을 땐 0, 예측이 틀렸을 때는 매우 큰 값을 주어야 함

$\bar{Y}$와 $Y$의 차이가 최소가 되어야 함

$S(Y) = \bar{Y}$ softmax를 통과한 값, $L = Y$

 

$D(S,L) = - \sum_i L_{i}log(S_i)$

 

※ Logistic cost와 cross entropy는 사실상 같다고 볼 수 있음

 

Cost function

$L = {1 \over N} \sum_i {D(S(WX_{i}+b,L_i)}$

 

Gradient descent

cost를 최소화하는 값 W 찾기 -> Cost function을 미분하는 Gradient descent algorithm 사용