기본 콘텐츠로 건너뛰기

R을 이용해 간단한 신경망 만들기 (3)




 앞서 많이 다뤘던 다이아몬드 데이터를 이용해서 다이아몬드 가격을 예측하는 신경망을 만들어보겠습니다. 인공 지능이 다루는 영역은 매우 다양하지만, 가장 흔한 적용은 바로 예측과 분류입니다. 예를 들어 사람인지 고릴라인지 분류하고 거기에 맞게 반응하는 것이죠. 사용자의 취향을 분류해서 가장 가능성 있는 연관 상품을 광고하는 것 역시 마찬가지입니다. 


 전통적인 선형 회귀 혹은 로지스틱 회귀 분석 방법에 비해서 신경망을 이용한 예측은 기존의 방식으로는 해결하기 어려웠던 여러 가지 예측과 분류를 가능하게 합니다. 독립 변수와 종속 변수의 관계가 비선형이거나 혹은 여러 가지 통계적 가정을 만족시키지 않는 자료라도 학습시키는데 문제가 없습니다. 특히 이미지, 음성, 언어 등 기존의 방식으로는 예측이나 분류가 어려운 비정형 데이터 학습에도 큰 효과를 발휘해 신경망은 현재 인공 지능의 대세로 떠오르고 있습니다. 하지만 막상 공부하려면 쉽지 않은 분야인 것도 사실입니다. 


 여기서는 가장 간단한 형태의 패키지인 neuralnet을 이용해서 다시 한 번 시도해보겠습니다. 



#diamonds
library(ggplot2)
library(neuralnet)


 다이아몬드 패키지에는 cut, color, clarity 등 여러 정보가 들어가 있는데 이 정보는 neuralnet 패키지에는 그대로 인식하지 못하기 때문에 이를 아래처럼 문자형이 아니라 숫자형으로 변경해 주어야 합니다. 

diamonds$cut2[diamonds$cut=="Fair"]=0
diamonds$cut2[diamonds$cut=="Good"]=1
diamonds$cut2[diamonds$cut=="Very Good"]=2
diamonds$cut2[diamonds$cut=="Premium"]=3
diamonds$cut2[diamonds$cut=="Ideal"]=4

diamonds$color2[diamonds$color=="D"]=0
diamonds$color2[diamonds$color=="E"]=1
diamonds$color2[diamonds$color=="F"]=2
diamonds$color2[diamonds$color=="G"]=3
diamonds$color2[diamonds$color=="H"]=4
diamonds$color2[diamonds$color=="I"]=5
diamonds$color2[diamonds$color=="J"]=6

diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="I1"]=0
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="SI1"]=1
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="SI2"]=2
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="VS1"]=3
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="VS2"]=4
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="VVS1"]=5
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="VVS2"]=6
diamonds$clartiy2[diamonds$clarity=="IF"]=7


 일단 학습을 위해 1000개 정도 샘플을 뽑아 보겠습니다. 


set.seed(1000)
diamonds1<-sample 1000="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
train<-diamonds diamonds1="" span="">


 이렇게 뽑은 샘플은 train이라는 객체에 저장했습니다. 그리고 학습을 시킵니다. 


start_time <- span="" sys.time="">

f=price~carat
fit<-neuralnet f="" span="">
               data=train, 
               hidden=c(3,3,3),
               algorithm = "rprop+",
               err.fct = "sse",
               act.fct = "logistic",
               threshold = 0.1,
               stepmax=1e6,
               linear.output = TRUE)

fit

end_time <- span="" sys.time="">

end_time - start_time


 여기서는 각각의 뉴런이 3개인 3개의 층을 지닌 DNN을 만들었습니다. 일단 기본값을 이용해서 만들었는데, 보통 신경망은 일반적인 통계 분석 방법에 비해 시간이 오래 걸립니다. 따라서 시간을 측정하기 위해 코드를 삽입했습니다. 이 내용은 이전에 설명한 적이 있죠. 


start_time <- span="" sys.time="">
 
 (시간을 측정하려는 코드) 

end_time <- span="" sys.time="">

end_time - start_time

 해보면 저는 5.5초 걸렸습니다. 아무래도 캐럿과 가격이라는 비교적 단순한 데이터다보니 시간이 짧게 걸린 것 같습니다. data=diamonds로 바꾸면 전체 데이터를 학습하게 되는데 저는 5분 정도 걸렸습니다. 여기서는 시간이 없으니 일부 샘플만 이용해서 진행해 보겠습니다. 학습을 한 신경망이 실제로 얼마나 예측을 잘 하는지 보기 위해 20개 정도 샘플을 다시 다이아몬드 데이터에 뽑아 예측을 시켜 보겠습니다. 일부 값은 중복될 수 있지만, 관측치가 5만개 이상이라 대부분은 겹치지 않을 것입니다.  



set.seed(111)
diamonds1<-sample 20="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
test<-diamonds diamonds1="" span="">

pred<-compute carat="" fit="" span="" test="">
pred

result<-cbind net="" pred="" span="" test="">
result




 결과는 다소 황당하게 나왔습니다. 예측한 가격이 모두 3841 달러로 나온 것이죠. 보통 텍스트북이나 혹은 다른 사이트에서 볼 수 있는 예제들은 대부분 잘 되는 것을 보여주지만, 실제로 해보면 그렇게 되지 않습니다. 여기서는 왜 안되는지 하나씩 알아 보겠습니다. 신경망이 학습을 하면서 분류를 한 게 아니라 오히려 하나로 잘못 수렴된 값을 보여주는 경우인데, 어쩌면 정보가 너무 부족한 것이 원인일 수도 있습니다. 이번에는 cut, color, clarity, depth 값을 넣어 보겠습니다. (clarity가 오타라서 수정해야 겠네요. 저도 지금 봤습니다) 

f=price~carat+cut2+color2+clarity2+depth 이렇게만 바꿔서 코드를 넣으면 됩니다. 


start_time <- span="" sys.time="">


f=price~carat+cut2+color2+clarity2+depth

fit<-neuralnet f="" span="">
               data=train, 
               hidden=c(3,3,3),
               algorithm = "rprop+",
               err.fct = "sse",
               act.fct = "logistic",
               threshold = 0.1,
               stepmax=1e6,
               linear.output = TRUE)

fit

end_time <- span="" sys.time="">

end_time - start_time


 이번에도 5.5 초 정도 나오네요. 그러면 예측력은 좋아졌을까요. 이를 측정하기 위해서는 carat 이외에 다른 정보도 같이 주고 테스트를 해야 합니다. 

set.seed(111)
diamonds1<-sample 20="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
test<-diamonds diamonds1="" span="">

test1<-test c="" carat="" clarity2="" color2="" cut2="" depth="" span="">

pred<-compute fit="" span="" test1="">

result<-cbind net="" pred="" span="" test1="">
result


> result
   carat cut2 color2 clarity2 depth   pred$net
1   0.30    3      2        4  61.4 3841.03705
2   0.50    2      3        2  63.3 3841.03705
3   1.51    4      6        3  61.9 3841.03705
4   0.32    3      4        4  61.0 3841.03705
5   1.56    4      6        3  62.5 3841.03705
6   1.03    4      2        7  63.1 3841.03705
7   0.70    4      2        1  60.7 3841.03705
8   0.38    4      1        1  60.7 3841.03705
9   1.56    3      4        3  62.0 3841.03705
10  0.31    3      4        1  61.1 3841.03705
11  0.32    4      0        1  60.9 3841.03705
12  0.34    4      4        5  61.8 3841.03705
13  0.80    3      2        4  61.6 3841.03705
14  0.90    1      2        2  64.3 3841.03705
15  1.00    1      4        1  61.6 3841.03705
16  2.01    1      4        2  57.6 3841.03705
17  1.01    3      4        4  61.9 3841.03705
18  0.75    2      2        1  60.6 3841.03705
19  1.25    4      1        2  62.3 3841.03705
20  0.31    3      3        5  60.7 3841.03705


 역시 달라진게 없습니다. 이는 근본적으로 알고리즘에 문제가 있기 때문으로 이런 방식으로는 절대 원하는 결과를 얻기 어려울 것입니다. 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있겠지만, 여기서는 간단한 근사치를 통해서 해결을 시도해 보겠습니다. 아무래도 가격의 분포가 너무 넓어 학습이 제대로 이뤄지지 않는 것으로 보입니다. 이를 범주형으로 바꾸면 어떨까요? 



mygroup<-function k="4){</span" y="">
  count=length(y)
  z=rank(y,ties.method = "min")
  return(floor((z-1)/(count/k))+1)
}

diamonds$price2<-mygroup diamonds="" price="" span="">


 가격에 따라 10개의 그룹으로 나누고 price2라고 명명합니다. 

set.seed(1000)
diamonds1<-sample 1000="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
train<-diamonds diamonds1="" span="">


 다시 1000개의 샘플을 구해 학습을 시킵니다. 


f=price2~carat

start_time <- span="" sys.time="">

fit<-neuralnet f="" span="">
               data=train, 
               hidden=c(3,3,3),
               algorithm = "rprop+",
               err.fct = "sse",
               act.fct = "logistic",
               threshold = 0.1,
               stepmax=1e6,
               linear.output = TRUE)

fit

end_time <- span="" sys.time="">

end_time - start_time

set.seed(111)
diamonds1<-sample 20="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
test<-diamonds diamonds1="" span="">

pred<-compute carat="" fit="" span="" test="">
pred

result<-cbind net="" pred="" span="" test="">
result


 이렇게 하면 pred$net의 값이 소수점 이하로 나와 보기 어려우니 round로 반올림 하겠습니다. 

result$`pred$net`<-round net="" pred="" result="" span="">
result



 완벽하지는 않지만 얼추 비슷하게 추정을 한다는 사실을 알 수 있습니다. 20개 중 7개를 잘못 분류했습니다. 그러면 정보를 더 주면 개선될 수 있을까요? 


f=price2~carat+cut2+color2+clarity2+depth

start_time <- span="" sys.time="">

fit<-neuralnet f="" span="">
               data=train, 
               hidden=c(3,3,3),
               algorithm = "rprop+",
               err.fct = "sse",
               act.fct = "logistic",
               threshold = 0.1,
               stepmax=1e6,
               linear.output = TRUE)

fit

end_time <- span="" sys.time="">

end_time - start_time

set.seed(111)
diamonds1<-sample 20="" diamonds="" nrow="" replace="FALSE)</span">
test<-diamonds diamonds1="" span="">

test1<-test c="" carat="" clarity2="" color2="" cut2="" depth="" span="">

pred<-compute fit="" span="" test1="">

result<-cbind net="" pred="" span="" test="">
result$`pred$net`<-round net="" pred="" result="" span="">
result




 시간은 3배 더 걸렸는데, 예측력은 엄청나게 개선된 것 같지는 않아 보입니다. 역시 20개 중 7개를 잘못 분류했습니다. 아무튼 이전처럼 하나로 수렴되어 하나도 예측을 못하는 것보다는 좋아 보입니다. 또 잘못 분류했다고 해도 비교적 근사치에 가까운 모습을 보이는 것 역시 그렇습니다. 재미있는 사실은 오히려 샘플 수를 늘리거나 정보를 더 준다고 꼭 더 좋은 결과가 나오지 않는다는 점입니다. 이 부분도 코드를 수정해가면서 직접 알아볼 수 있을 것입니다. 


 좀 더 알아보기 위해 다른 예제도 같이 해보겠습니다. 




댓글

이 블로그의 인기 게시물

100 테슬라급 자기장 도달

 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...