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Least Square

다음과 같이 이산(Discrete)시스템에 대한 모델링 파라메터를 추정하고자 한다. LS(Least Square: 추정치 오차 자승 합)방식을 이용할 때 t=4sec 순간의 a값의 추정치를 구하시오.

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Least Square

Least Square · 최소자승법 · Parameter Estimation · Linear Regression · Normal Equation

1. 문제

다음과 같은 이산 시스템에서 Least Square 방법을 이용하여 모델링 Parameter를 추정한다.

      u(t) ─────► [  a  ] ─────► y(t)
    
t(sec) 0 1 2 3 4
u(t) 3 2 1 2 3
y(t) 4 3 3 4 5

필기에서는 t = 4 sec까지의 데이터를 이용하여 모델 Parameter를 구한다.

2. Least Square

Least Square = 추정치 오차 자승의 합을 최소화

여러 개의 데이터가 있을 때 모든 점을 정확히 통과하는 식이 아니라, 전체 오차의 제곱합이 가장 작아지는 모델을 구한다.

데이터와 추정모델 사이의 오차를 제곱하여 모두 더하고, 그 값이 최소가 되는 Parameter를 찾는다.

3. 직선 모델 가정

필기에서는 데이터가 직선 형태로 분포한다고 가정한다.

ŷi = A + Bxi

또는 예제 풀이에서는 다음과 같이 표기한다.

y = ax + b

여기서 구해야 할 값은 직선의 기울기와 절편이다.

Parameter = a, b

4. 각 데이터의 추정오차

실제 측정값과 직선으로 추정한 값의 차이를 오차로 둔다.

ei = yi – ŷi
ei = yi – A – Bxi

5. 오차 제곱합

Least Square에서는 각 오차를 제곱하여 합한다.

Error = Σ ( yi – ŷi )²
χ² = Σ { ( yi – A – Bxi )² / σ² }

필기에서는 이 값이 최소가 되도록 A와 B를 결정한다.

6. 최소조건

오차제곱합을 각 Parameter에 대해 편미분하고 결과를 0으로 둔다.

∂χ² / ∂A = 0
∂χ² / ∂B = 0
Error Function의 기울기가 0이 되는 지점에서 Least Square 해를 구한다.

7. A에 대한 편미분

∂ / ∂A Σ { ( yi – A – Bxi )² / σ² } = 0

정리하면 필기의 첫 번째 식은 다음과 같다.

Σyi = AN + BΣxi

8. B에 대한 편미분

∂χ² / ∂B = 0

필기에서는 다음 식으로 정리한다.

Σxiyi = AΣxi + BΣxi²

9. 정상방정식

두 식을 동시에 풀면 A와 B를 구할 수 있다.

Σyi = AN + BΣxi
Σxiyi = AΣxi + BΣxi²
필기에서는 Σxᵢ, Σyᵢ, Σxᵢyᵢ, Σxᵢ² 값을 실제 데이터에서 계산하여 두 연립방정식으로 A와 B를 구한다.

10. 행렬 형태

예제 풀이에서는 직선식 y = ax + b를 행렬로 표현한다.

AX = B
      ┌ x1  1 ┐
      │ x2  1 │
      │ x3  1 │   ┌ a ┐   ┌ y1 ┐
      │ x4  1 │ × │ b │ = │ y2 │
      │ x5  1 │   └   ┘   │ y3 │
      └       ┘           │ y4 │
                          └ y5 ┘
    
X = [ a  b ]ᵀ

11. 예제 데이터

x = 3, 2, 1, 2, 3
y = 4, 3, 3, 4, 5

데이터 수는 5개이다.

12. Least Square 계산 결과

필기에서는 Least Square 계산 후 다음의 2×2 연립방정식으로 정리한다.

      ┌ 2  1 ┐ ┌ a ┐   ┌ 4 ┐
      │      │ │   │ = │   │
      └ 3  1 ┘ └ b ┘   └ 5 ┘
    
AX = B
X = A⁻¹B

13. 역행렬 계산

필기에 적힌 역행렬 계산은 다음과 같다.

A⁻¹ = 1 / (2 – 3) × [ 1  -1 ; -3  2 ]
A⁻¹ = [ -1  1 ; 3  -2 ]

14. 최종 Parameter

X = A⁻¹B
[ a ; b ] = [ -1  1 ; 3  -2 ] [ 4 ; 5 ]
[ a ; b ] = [ 1 ; 2 ]
a = 1
b = 2
필기의 최종 결과: a = 1, b = 2

15. 추정 모델

따라서 필기에서 얻은 Least Square 직선 모델은 다음과 같다.

ŷ = x + 2

16. 계산 흐름

      측정 Data
          │
          ▼
      직선 Model 가정
        y = ax + b
          │
          ▼
      추정값 계산
        ŷi = axi + b
          │
          ▼
      Error
        ei = yi - ŷi
          │
          ▼
      Error² 합
        Σei²
          │
          ▼
      a, b로 편미분
          │
          ▼
      최소조건 = 0
          │
          ▼
      연립방정식
          │
          ▼
      Matrix 계산
          │
          ▼
      a = 1, b = 2
    

17. 이미지 OCR 핵심 정리

항목 필기 내용
Least Square 추정오차 제곱합을 최소화
모델 y = ax + b
오차 eᵢ = yᵢ – ŷᵢ
목적함수 Σ(yᵢ – axᵢ – b)² 최소
최소조건 Parameter에 대해 편미분 = 0
행렬표현 AX = B
예제 결과 a = 1, b = 2
추정식 ŷ = x + 2
이 HTML은 페이지 본문과 외부 참고 PDF를 사용하지 않고, 일반 이미지 5장만 OCR/시각 판독하여 작성했다. 페이지의 least-square.pdf는 NeoStudio PDF가 아니므로 현재 변환 기준에 따라 제외했다. 첫 번째 필기에서는 A, B를 사용하고 예제 계산에서는 a, b를 사용하는데, 원문의 표기를 그대로 유지했다. 또한 마지막 예제의 2×2 행렬은 필기에 적힌 계산과 결과를 그대로 옮겼으며, 원본에 없는 별도의 Least Square 공식을 임의로 추가하지 않았다.
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