[ML] 특성 공학과 규제

다중 회귀(Characteristic Engineering and Regulation)

다중 회귀

여러개의 특성을 사용한 선형 회귀(Linear Regression)를 다중 회귀(Multiple Regression)이라고 부릅니다.

• 1개의 특성을 사용했을때, 선형 회귀 모델이 학습 하는것은 직선입니다. 2개의 특성을 사용하면 선형 회귀는 평면을 학습합니다.
• 왼쪽 그림이 1개의 특성을 사용한 선형 회귀 모델이 학습 하는 모델, 오른쪽 그림이 2개의 특성을 사용한 선형 회귀 모델입니다.

• 오른쪽 그림처럼 특성이 2개면 Target값과 함께 3차원 공간을 형성하고 선형 회귀 방정식은 평면이 됩니다.

Target = a x 특성1 + b x 특성2 + 절편

• 그러면 특성이 3개일 경우에는? 우리는 3차원 공간을 그리거나 상상할수 없습니다. 그렇지만, 특성이 많은 고차원에서는 선형회귀가 매우 복잡한 모델을 표현할 수 있습니다.
• 한번 3개의 특성을 각각 제곱해서 추가하고, 각 특성을 곱해서 새로운 특성을 만들겠습니다. 즉, 농어 길이 x 농어 길이 를 새로운 특성으로 만드는 겁니다. 이렇게 기존의 특성을 사용해서 새로운 특성을 뽑아내는 작업을 특성공학(Feature Engineering)이라고 합니다.

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데이터 준비 

• 이전과 달리 농어의 특성이 3개가 되었기 때문에, 일일이 데이터를 복사해서 붙이는건 번거롭습니다. 하지만, Pandas를 사용하면 간단합니다.
• Pandas는 잘 알려진 데이터 분석 라이브러리중 하나이며, 데이터프레임은 판다스의 핵심 데이터 구조입니다.
• Numpy 배열과 다차원 배열을 다룰수 있지만, 더 많은 기능을 제공합니다. 그리고 데이터프레임을 Numpy 배열로 쉽게 봐꿀수 있습니다. 한번 데이터를 불러와 보겠습니다.

# Pandas로 데이터 준비. csv 파일로 받아서 pandas dataframe -> numpy 배열로 변환

import pandas as pd

df = pd.read_csv('https://bit.ly/perch_csv_data')
perch_full = df.to_numpy()

print(perch_full[:5]) # perch_full 데이터가 너무 많아서 5개만 불러왔습니다. perch_full로 하면 다 볼수 있습니다.

[[ 8.4 2.11 1.41]
 [13.7 3.53 2. ]
 [15. 3.82 2.43]
 [16.2 4.59 2.63]
 [17.4 4.59 2.94]]

• Target 데이터도 이전과 동일한 방식으로 가져오고, perch_full, perch_weight를 Training_set와 Test_set로 나눕니다.
• 이 데이터들을 사용해서 새로운 특성을 만들어 보겠습니다.

import numpy as np

perch_weight = np.array([5.9, 32.0, 40.0, 51.5, 70.0, 100.0, 78.0, 80.0, 85.0, 85.0, 110.0,
       115.0, 125.0, 130.0, 120.0, 120.0, 130.0, 135.0, 110.0, 130.0,
       150.0, 145.0, 150.0, 170.0, 225.0, 145.0, 188.0, 180.0, 197.0,
       218.0, 300.0, 260.0, 265.0, 250.0, 250.0, 300.0, 320.0, 514.0,
       556.0, 840.0, 685.0, 700.0, 700.0, 690.0, 900.0, 650.0, 820.0,
       850.0, 900.0, 1015.0, 820.0, 1100.0, 1000.0, 1100.0, 1000.0,
       1000.0])

# Scikit-learn 훈련세트는 2차원 배열이여야 함으로, Numpy의 reshape method를 사용해서 2차원으로 봐꿔줌
# perch_full & perch_weight를 훈련 & 테스트 세트로 나눈다.
from sklearn.model_selection import train_test_split

train_input, test_input, train_target, test_target = train_test_split(perch_full, perch_weight, random_state=42)

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Scikit-learn의 변환기

Scikit-learn은 특성을 만들거나 전처리 하기 위하여 다양한 클래스를 제공하는데, 이런 클래스를 변환기 (Transformer)라고 부릅니다.
변환기 Class는 fit(), transform() Method를 제공합니다.

• 추가로 LinearRegression 에서는 추정기, Transformer에서는 변환기 라고 부릅니다.
• 우리가 사용할 변환기는 PolynomialFeature Class입니다. 한번 사용해 보겠습니다. 그리고 이 클래스는 sklearn.preprocessing 패키지에 포함되어 있습니다.
• 그리고 PolynomialFeatures Class가 하는건? 별거 없어요. 하는게 특성 몇개인지, 2 x 3을 해서 어떤 조합으로 만드는지 파악하는 정도입니다.

from sklearn.preprocessing import PolynomialFeatures
# PolynomialFeatures(변환기) - degree라는 매개변수: 기본값이 2(제곱항을 만들어주는 표시)

# degree = 2 (3이면 3제곱(제곱항이 3)으로 한다.)
poly = PolynomialFeatures()
poly.fit([[2,3]])

# 1(bias), 2, 3, 2**2, 2*3, 3**2
print(poly.transform([[2,3]])) # 2,3 이라는 가상의 sample data
# 2,3:원래 있던 특성 그대로. 2-4, 3-9, 2*3-6. 1은 절편을 위한 특성44

[[1. 2. 3. 4. 6. 9.]]

• fit() Method는 새롭게 만들 특성 조합을 찾고, Transform() Method는 실제로 데이터를 반환합니다. 
• 여기서는 2개의 특성(원소)를 가진 샘플 [2,3]이 특성을 가진 샘플 [1, 2, 3, 4, 6, 9]로 봐뀌었습니다.
• PolynomialFeature 클래스가 기본적으로 각 특성을 제곱한 항을 추가합니다. 관련 식을 아래에 첨부 하겠습니다.

무게 = a x 길이 + b x 높이 + c x 두께 + d x 1

• 관련 식을 보면, 특성은 (길이, 높이, 두께, 1)이 됩니다. 근데 1은 무엇일까요? 1은, 선형 방정식의 절편을 항상 값이 1인 특성과 곱해지는 계수 라고 볼 수 있습니다.
• 근데, Scikit-learn의 선형모델을 자동으로 절편을 추가함으로 굳이 이렇게 특성을 만들 필요가 없으므로, include_bias=False로 지정하여 다시 특성을 반환하겠습니다. 결과는 절편을 위한 항이 제거되고, 특성의 제곱과 특성끼리 곱한 항만 추가되었습니다.

# include_bias=False로 지정하여 다시 특성을 변환
poly = PolynomialFeatures(include_bias=False)
poly.fit([[2, 3]])
print(poly.transform([[2, 3]]))

[[2. 3. 4. 6. 9.]]

• 한번 이 방식으로 train_input에 적용시켜 보겠습니다. train_input을 변환한 데이터를 train_polu에 저장하고 배열의 크기를 확인해 보겠습니다.

poly = PolynomialFeatures(include_bias=False)

poly.fit(train_input) # fit(훈련)
train_poly = poly.transform(train_input) #train_poly(numpy 배열)

print(train_poly.shape)

(42, 9)

• PolynomialFeatures 클래스는 9개의 특성이 어떻게 만들어졌는지 확인할수 있게 해줍니다.
• get_feature_names_out() Method 를 사용하면 9개의 특성이 각각 어떤 조합으로 만들어 졌는지 알 수 있습니다.

poly.get_feature_names_out()

array(['x0', 'x1', 'x2', 'x0^2', 'x0 x1', 'x0 x2', 'x1^2', 'x1 x2', 'x2^2'], dtype=object)

• ‘x0’은 첫번째 특성을 의미하고
• ‘x0^2’는 첫번째 특성의 제곱,
• ‘x0 xl’은 첫번째 특성과 두번째 특성의 곱을 나타내는 식입니다.
• 이제 Test_set를 반환하고 변환된 특성을 이용하여 다중 회귀 모델을 훈련시키겠습니다.

# training_set에 사용한걸 test_set에 사용한다.
test_poly = poly.transform(test_input)

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다중 회귀 모델 훈련하기

다중 회귀 모델을 훈련하는것은 선형 회귀 모델을 훈련하는 방식과 같습니다. 다만, 여려개의 특성을 이용해서 선형회귀를 수행하는것 뿐입니다. 한번 훈련시켜 보겠습니다.

from sklearn.linear_model import LinearRegression

lr = LinearRegression()
lr.fit(train_poly, train_target)

print(lr.score(train_poly, train_target))

0.9903183436982125

• 1개의 특성을 사용한 선형회귀 모델보다 높은 점수가 나왔습니다. 이것은 특성이 늘어나면 선형회귀는 좋은 정확도를 가져온다는것을 볼수 있습니다. Test_set 점수도 확인해 보겠습니다.

print(lr.score(test_poly, test_target)) # 과소적합 문제 해결

0.9714559911594159

• Test_set에 대한 점수는 1개의 특성을 사용한 선형회귀 보다 점수가 높아지지는 않았지만, 농어의 길이만 사용했을 때 있던 과소적합 문제는 해결되었습니다.
• 만약 여기서 특성을 더 많이 추가하면 어떻게 될까요? 3제곱, 4제곱, 5제곱 항을 넣는거죠. 

PolynomialFeature 클래스의 degree 매개변수의 값을 변경하여 필요한 최대 차수를 지정할 수 있습니다. 5제곱 까지 특성을 추가해서 만들어보겠습니다.

poly = PolynomialFeatures(degree=5, include_bias=False) # 5제곱까지 특성을 만들어서 출력

poly.fit(train_input)
train_poly = poly.transform(train_input)
test_poly = poly.transform(test_input)

print(train_poly.shape)

(42, 55) # 데이터셋은 42개, 만들어진 특성의 개수가 55개

• train_poly 배열의 열의 개수가 특성의 개수입니다. 이 데이터를 가지고 선형 회귀 모델을 다시 훈련시켜 보겠습니다.

lr.fit(train_poly, train_target)
print(lr.score(train_poly, train_target))

0.999999999999769

• 정확도가 99%이상입니다. 완벽한 점수인데, Test_set 점수도 한번 보겠습니다.

# 음수가 뜨는 이유: training_set에 너무 과대 적합 되어서.
print(lr.score(test_poly, test_target))

-144.40490595353674

• 흠... 매우 큰 음수값이 나왔습니다. 이것은 Training_set에 너무 과대적합이 되어서 Test_set점수에는 매우 낮은 값을 만든것 같습니다.

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규제 & 표준화

• 위의 글에서 보이듯이, 과대적합이 된 머신러닝 모델이 과도하게 학습하지 못하도록 막는것을 규제 라고 합니다. 

즉, 모델이 훈련 세트에 과대적합되지 않도록 만드는 것 입니다. 선형 회귀 모델의 경우 특성에 곱해지는 계수(기울기)의 크기를 작게 만드는 것입니다. 

• 그림을 보시면, 왼쪽은 규제를 설정하기 전의 데이터를 학습한 모델이고, 오른쪽은 규제를 적용해서 학습시킨 모델입니다.
• 그러면, 55개의 특성으로 훈련한 선형회귀 모델의 계수를 규제하여 훈련 세트의 점수를 낮추고 대신 테스트 점수를 높여보겠습니다.
• 근데, 규제를 적용하기 전에 정규화를 해야합니다. 특성의 스케일이 정규화가 되지 않으면? 곱해지는 계수값도 차이가 나이 때문에, 규제를 적용하면, 똑같이 제어가 되지 않을수도 있기 때문입니다.
• 이번에는 Scikit-learn에서 제공하는 StandardScaler 클래스를 사용해서 변환해 보겠습니다.

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

ss = StandardScaler() # 객체 초기화 
ss.fit(train_poly) # 모델 훈련

train_scaled = ss.transform(train_poly)
test_scaled = ss.transform(test_poly)

• 이 코드는 StandardScaler 클래스의 객체 ss를 초기화 한 후, PolynomialFeature 클래스로 만든 train_poly 객체를 사용해서 훈련합니다.
• Training_set로 학습한 변환기를 사용해서 Test_set도 변환 해야 합니다.
• 여기서 이제 선형회귀 모델에 규제를 추가한 모델에 대하여 설명을 해보겠습니다. 릿지(ridge) & 라쏘(Lasso)2개가 있는데, 릿지(ridge) 부터 설명하겠습니다.

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Ridge(릿지) 회귀

Ridge(릿지) 회귀는 계수를 제곱한 값을 기준으로 규제를 적용합니다.

• L2 규제, 다른 class에 L2규제가 적용됬을땐? 선형회귀에서는 릿지 회귀 라고 합니다.
• 릿지는 sklearn.linear_model 패키지 안에 있으며, 편리한것은 훈련 & 사용하는 방법이 같다는 것입니다.
• 모델 객체에서 fit() method로 훈련하고, score() method로 평가합니다.
• 앞서 준비한 train_scaled 데이터로 릿지 모델을 훈련해보겠습니다.

from sklearn.linear_model import Ridge

#alpha=1(1이면 강도 쎔, 0이면 강도 약함), 사전에 우리가 지정해야 되는 값임 - 이러한 값을 hyperparameter라고 부른다.
ridge = Ridge() 
ridge.fit(train_scaled, train_target)

print(ridge.score(train_scaled, train_target))

0.9896101671037343

• 선형회귀 에서 거이 99% 정확도가 나온반면, 점수가 조금 낮아졌습니다. 한번 Test_set 점수를 확인하겠습니다.

print(ridge.score(test_scaled, test_target))

0.9790693977615388

• 전의 선형회귀 모델 에서 점수가 음수가 나왔지만, 지금은 정상으로 돌아왔습니다. 
• 릿지(Ridge)도 그렇고 라쏘(Lasso)도 그렇지만, 규제의 양을 임의로 조절할 수 있습니다. 모델의 객체를 만들때, alpha 매개 변수로 규제의 강도를 조절합니다. 
• 만약 alpha 값이 크면 규제 강도가 세지므로 계수 값을 더 줄이고 과소적합 되도록 유도합니다.
• alpha 값이 작으면 계수를 줄이는 역할이 줄어들고 선형회귀 모델과 유사해지므로, 과대적합(Overfitting)될 가능성이 큽니다. 
• 그러면 어떻게 해야 적잘한 alpha 값을 찾을 수 있을까요?

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적절한 규제 강도 찾기

적절한 alpha 값을 찾는 한가지 방법은, alpha 값에 대한 R^2의 그래프를 만들어보는 것입니다.

• Matplotlib 라이브러리를 import 하고, alpha 값을 봐꿀때 마다, score() Method의 결과를 저장할 list를 만들어 보겠습니다.

import matplotlib.pyplot as plt
train_score = []
test_score = []

• alpha 값을 0.001 부터 100까지 10배씩 늘려가며 릿지 회귀 모델을 훈련하고, Training_set & Test_set 점수를 list에 저장합니다.
• 그리고 train_score 와 test_score 리스트를 사용해서 그래프를 그립니다.
• 이 그래프도 x축은 log scale로 봐꿔서 그리겠습니다.

alpha_list = [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100] #보통은 7의 배수로 hyperparameter 범위 지정 및 훈련
for alpha in alpha_list:
    # alpha_list 안에 있는 값들로 하나씩 for문을 돌려가면서, 모델을 훈련합니다.
    ridge = Ridge(alpha=alpha)
    # 릿지 모델을 훈련합니다.
    ridge.fit(train_scaled, train_target)
    # 훈련 점수와 테스트 점수를 저장합니다.
    train_score.append(ridge.score(train_scaled, train_target))
    test_score.append(ridge.score(test_scaled, test_target))

plt.plot(np.log10(alpha_list), train_score) #log10 - log scale로 봐꿈
plt.plot(np.log10(alpha_list), test_score)
plt.xlabel('alpha')
plt.ylabel('R^2')
plt.show()

# alpha 값이 쎄지면 규제가 쎄져서, training_set score가 낮아짐, alpha값이 약해지면 반대
# 왼쪽은 과대적합, 오른쪽은 과소적합

• 그래프의 alpha 값을 0.001붜 100까지 10배씩 늘렸기 때문에, 그래프를 바로 그려버리면 그래프의 왼쪽이 너무 촘촘해 지므로 alpha_list에 있는 6개의 값을 동일한 간격으로 나타내기 때문에, log 함수를 지수로 표현해서 그래프를 그려보겠습니다.
• 0.001은 -3, 0.01은 -2, 100은 2. 이렇게 되는 형식입니다.

• 위의 파란색 그래프가 Training_set 그래프, 아래 노란색 그래프가 Test_set 그래프 입니다.
• 그래프의 왼쪽을 보면 Training_set, Test_set의 점수 차이가 큽니다. 이 모습은 과대적합의 전형적인 부분입니다.
• 오른쪽은 둘다 점수가 낮아지는 과소적합의 모습을 보입니다. 
• 두 그래프가 가장 가깝고, 테스트 점수가 가장 높은 -1, 즉 10의 -1승. 0.1 입니다. alpha 값을 0.1로 해서 최종 모델을 훈련시켜 보겠습니다.

ridge = Ridge(alpha=0.1)
ridge.fit(train_scaled, train_target)

print(ridge.score(train_scaled, train_target))
print(ridge.score(test_scaled, test_target))

0.9903815817570366
0.9827976465386955

• 이 모델은 Training_set 점수와 Test_set 점수가 비슷하게 높고 과대적합, 과소적합 사이에서 균형을 맞추고 있습니다.
• 이번엔 라쏘(Lasso) 모델을 한번 보겠습니다.

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라쏘(Lasso) 회귀

라쏘(Lasso) 회귀는 훈련하는것은 릿지(Ridge)와 방식이 비슷합니다. Ridge를 Lasso로 봐꾸는것이 다입니다.
다만, 라쏘 회귀의 특징은 가중차의 절대값에 제곱을 주어서 규제를 주는 방식입니다.

from sklearn.linear_model import Lasso

lasso = Lasso()
lasso.fit(train_scaled, train_target)
print(lasso.score(train_scaled, train_target))
print(lasso.score(test_scaled, test_target))

0.989789897208096
0.9800593698421884

• Train, Test_set의 점수도 릿지 회귀만큼 좋습니다. 라쏘도 동일하게 alpha 매개변수로 규제의 강도를 조절할수 있습니다.

import matplotlib.pyplot as plt
train_score = []
test_score = []

alpha_list = [0.001, 0.01, 0.1, 1, 10, 100] #보통은 7의 배수로 hyperparameter 범위 지정 및 훈련
for alpha in alpha_list:
    # alpha_list 안에 있는 값들로 하나씩 for문을 돌려가면서, 모델을 훈련합니다.
    lasso = Lasso(alpha=alpha, max_iter=10000)
    # 라쏘 모델을 훈련합니다.
    lasso.fit(train_scaled, train_target)
    # 훈련 점수와 테스트 점수를 저장합니다.
    train_score.append(lasso.score(train_scaled, train_target))
    test_score.append(lasso.score(test_scaled, test_target))

plt.plot(np.log10(alpha_list), train_score) #log10 - log scale로 봐꿈
plt.plot(np.log10(alpha_list), test_score)
plt.xlabel('alpha')
plt.ylabel('R^2')
plt.show()

• 이 그래프의 특징도 왼쪽은 과대적합, 오른쪽은 과소적합을 보여줍니다. 
• 그리고, 오른쪽으로 갈수록 훈련 세트, 테스트 세트의 점수가 좁혀지고 있습니다. 이 지점이 아마 과소적합되는 모델인거 같습니다.
• 라쏘 모델에서 최적의 alpha 값은 1, 즉 10의 1승=10입니다. 이 값으로 다시 모델을 훈련해 보겠습니다.

lasso = Lasso(alpha=10)
lasso.fit(train_scaled, train_target)

print(lasso.score(train_scaled, train_target))
print(lasso.score(test_scaled, test_target))

0.9888067471131867
0.9824470598706695

• 라쏘 모델도 과대적합을 잘 억제하고 테스트 세트의 성능을 크게 높인것을 알수 있습니다.
• 근데, 라쏘 모델의 계수값을 아에 0으로 만들 수 있는것을 알고 계신가요? 라쏘 모델의 계수는 coef_ 속성에 저장되어 있습니다.
• 한번 만들어 보겠습니다.

print(np.sum(lasso.coef_ == 0))

40

• 이것을 보면서 알 수 있는것은, 55개의 특성을 모델에 주입했지만 라쏘 모델이 사용한 특성은 15개 뿐이라는것을 알수 있습니다.
• 이러한 특징 때문에 라쏘(Lasso) 모델을 유용한 특성을 골라내는 용도로도 사용가능합니다.

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Keywords

• 다중 회귀(Multiple Regression)는 여러 개의 특성을 사용하는 회귀 모델입니다. 특성이 많으면 선형 모델은 강력한 성능을 발휘합니다.
• 특성 공학 은 주어진 특성을 조합하여 새로운특성을 만드는 일련의 작업 과정입니다.
• 릿지(Ridge)는 규제가 있는 선형 회귀 모델 중 하나이며 선형 모댈의 계수를 작게 만들어 과대적합을 완화시겁니다. 릿지는비교적 효과가좋아널리 사용하는규제 방법입니다.
• 라쏘(Lasso)는 또 다른 규제가 있는 선형 회귀 모델입니다. 릿지와 달리 계수 값을 아예 0으로 만들 수 도있습니다.
• 하이퍼파라미터(Hyper-Parameter)는 머신러닝 알고리즘이 학습하지 않는 파라미터입니다. 이런 파라미터는 사람 이 사전에 지정해야 합니다. 대표적으로 릿지와 라쏘의 규제 강도 alpha 파라미터입니다.

핵심 패키지와 함수

pandas

• read_csv()는 csv 파일을 로컬 컴퓨터나 인터넷에서 읽어 판다스 데이터프레임으로 변환하 는 함수입니다. 이 함수는 매우 많은 매개변수를 제공합니다. 그중에 지주 사용하는 매개변수 는 다음과 같습니다.
• sep는 csv 파일의 구분자를 지정합니다. 기본값은 ‘콤마(,)’입니다.
• header에 데이터프레임의 열 이름으로 사용할 csv 파일의 행 번호를 지정합니다. 기본적으로 첫 번째 행을 열 이름으로 사용합니다.
• skiprows는 파일에서 읽기 전에 건너될 행의 개수를 지정합니다.
• nrows는 파일에서 읽을 행의 개수를 지정합니다.

scikit-learn

• PolynomialFeatures는 주어진 특성을 조합하여 새로운 특성을 만듭니다. degree는 최고 차수를 지정합니다. 기본값은 2입니다.
• interaction_only가 True이면 거듭제곱 항은 제외되고 특성 간의 곱셈 항만 추가됩니다. 기본값은 False입니다.
• include_bias가 False이면 절편을 위한 특성을 추가하지 않습니다. 기본값은 True입니다.
• Ridge는 규제가 있는 회귀 알고리즘인 릿지 회귀 모델을 훈련합니다.
• alpha 매개변수로규제의 강도를조절합니다. alpha 값이 클수록 규제가 세집니다. 기본값은 1입니다.
• solver 매개변수에 최적의 모델을 찾기 위한 방법을 지정할 수 있습니다. 기본값은 ‘auto’이며 데이터에 따라 자동으로 선택됩니다.
  • scikit-learn 0.17 버전에 추기된 ‘sag’는 획률적 평균 경사 하강법 알고리즘으로 특성과 샘플 수가 많을 때에 성능이 빠르고 좋습니다.
  • scikit-learn 0.19 버전에는 ‘sag’의 개선 버전인 ‘saga’가 추가되었습니다.
• random_state는 solver가 ‘sag’나 ‘saga’일 때 념파이 난수 시드값을 지정할 수 있습니다.
• Lasso는 규제가 있는 회귀 알고리즘인 라쏘 회귀 모댈을 훈련합니다. 이 클래스는 최적의 모델을 찾기 위해 좌표축을 따라 최적회를 수행해가는 좌표 하강법 coordinate descent을 시용합니다.
• alpha와 random_state 매개변수는 Ridge 클래스와 동일합니다.
• max_iter는 알고리즘의 수행 반복 횟수를 지정합니다. 기본값은 1000입니다.