4.1 Multilayer Perceptrons
์์ ๋จ์์์ ์ฐ๋ฆฌ๋ ์ ํ ๋ชจ๋ธ์ ์ดํด๋ณด์์ต๋๋ค.
์์ ๊ฐ์ ํํ๋ก ํํํด ์ฃผ์ด์ง ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ์ด๋ ์นดํ
๊ณ ๋ฆฌ์ ์์นํ๋์ง ์ ํํจ์์ ํํ๋ก ์ฃผ์ด์ก์ต๋๋ค.
๊ทธ๋ฌ๋ ์ด๋ฌํ ์ ํํจ์๋ ์
๋ ฅ๋ค์ด ๋ฐ๋ก ์ถ๋ ฅ์ผ๋ก ๋งคํ๋๊ณ ์ด๋ ๋๋ฌด ๊ฐํ ๊ฐ์ ์
๋๋ค.
๋ง์น ๋ Aํ์ด๋๊น~ ์์ฌํ๊ฒ ์ง ๋ญ~ ๋ผ๊ณ ๋ฐ๋ก ๋จ์ธํด๋ฒ๋ฆฌ๋ ๊ฒ๊ณผ ๊ฐ์ต๋๋ค.
์ธ์ ์ฌ๋๋ค์ด ๋ค ์ ๊ฐ๊ฐ์ด๋ฏ์ด ํ๋์ ํน์ง์ ํตํด ๋ฐ๋ก ํ๋์ ๊ฒฐ๋ก ์ผ๋ก ๋งค๋ญ์ง๊ธฐ์ ๋๋ฌด ๋
ผ๋ฆฌ์ ๋น์ฝ์ด ํฝ๋๋ค.
์ด๋ฌํ ์ถ๋ก ์ ๋ฐฉ์งํ๊ธฐ ์ํด์ ์ฐ๋ฆฐ ์ฌ๋ฌ ์์๋ค์ ๋ณตํฉ์ ์ผ๋ก ๊ณ ๋ คํด์ผ ํฉ๋๋ค.
์
๋ ฅ๊ณผ ์ถ๋ ฅ ์ฌ์ด์ ๋ณต์กํ ๊ด๊ณ๋ฅผ ์ฐพ๊ธฐ ์ํด์ ํจํด ํ์ฑ์ ๊ด์ฌํ๋ ์๋ง์ ํน์ฑ๋ค์ ๊ณ ๋ คํด์ผํ๊ณ ์ด๋ฅผ ์ํด์ ์ฐ๋ฆฌ๋ ์ฌ๋ฌ๊ฐ์ hidden layers๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋ชจ๋ธ์ ๊ตฌ์ฑํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
๊ฐ layer์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ ๋ค์ layer์ ์
๋ ฅ์ผ๋ก ์ฐ๊ฒฐ๋๊ณ ์ฐจ๋ก ์ฐจ๋ก ์ด์ด์ ธ์ ์ถ๋ ฅ์ธต๊น์ง ์ด์ด์ง๋๋ค.
์ด๋ฌํ ์ํคํ
์ณ๋ฅผ Multilayer Perceptron์ด๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค.
์ด๋ฌํ Multilayer Perceptron์ ์ฌ๋ฌ ๊ฐ์ layers์ ๋ด๋ฐ๋ค์ด ์๋ก Fully Connected๋ ํํ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ณต์กํ ๋ชจ๋ธ์ ๋ค๋ฃจ๊ธฐ ์์ํ๋ฉด์ ๋ฑ์ฅํ๋ ๋ฌธ์ ๋ค์ด ๋ฐ๋ก overfitting, underfitting์
๋๋ค.
์์ ๋ฌธ์ ์ ๋ค์ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด weight decay, dropout ๋ฑ์ regularization techniques์ ์ด์ฉํฉ๋๋ค.
๋ํ ๋คํธ์ํฌ๋ฅผ ์ฑ๊ณต์ ์ผ๋ก ํธ๋ ์ด๋ ์ํค๊ธฐ ์ํ numerical stability ์ parameter initialization์ ๋ค๋ฃฌ๋ค.
4.1.1 Hidden Layers
์์ ์ ์๋ ํํ์์ ๊ธฐ๋ณธ์ ์ธ ์ ๋ณด๋ฅผ ํํํ๋ฉด,
์
๋ ฅ์ด 4๊ฐ, ์ถ๋ ฅ์ด 3๊ฐ, 1๊ฐ์ hidden layer๊ฐ 5๊ฐ์ hidden unit์ ๊ฐ์ง๋ ํํ์
๋๋ค.
์ธต์ ๊ฐ์๋ ์
๋ ฅ์ธต์ ์ ์ธํ 2๊ฐ์
๋๋ค.
4.1.2 Activation Functions
Activationย function์ ์
๋ ฅ๋ ๋ฐ์ดํฐ์ ๊ฐ์ค ํฉ์ ์ถ๋ ฅ ์ ํธ๋ก ๋ณํํ๋ย ํจ์์ด๋ค. ์ธ๊ณต ์ ๊ฒฝ๋ง์์ ์ด์ ๋ ์ด์ด์ ๋ํ ๊ฐ์ค ํฉ์ ํฌ๊ธฐ์ ๋ฐ๋ผย ํ์ฑย ์ฌ๋ถ๊ฐ ๊ฒฐ์ ๋ฉ๋๋ค. ์ด๋ฌํ Activationย function์ ์ฌ์ฉํ ๋ ์ฃผ๋ก ๋น์ ํ ํจ์๋ฅผ ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค.
๊ทธ ์ด์ ๋ ์ ํํจ์๋ฅผ Activationย function์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ๋ฉด ์ธต์ ๊น๊ฒ ํ๋ ์๋ฏธ๊ฐ ์์ด ๊ทธ๋ฅ ์ ํํจ์๊ฐ ๋์ด ๋ฒ๋ฆฌ๊ธฐ ๋๋ฌธ์
๋๋ค.
y(x)=h(h(h(x)))๋ผ๋ ์์์ h(x) = cx ๋ผ๊ณ ๊ฐ์ ํ๋ฉด ์ ์ ํํจ์๊ฐ ๋์ด ๋ฒ๋ฆฐ๋ค.
๊ทธ๋ ๋ค๋ฉด Activationย function์๋ ์ด๋ค ์ข
๋ฅ๊ฐ ์์๊น?
ReLU Function (most frequently used)
๊ฐ์ฅ ๊ตฌํํ๊ธฐ ๋จ์ํ ํํ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์๊ณ ํผํฌ๋จผ์ค ๋ํ ์ข๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋ ํจ์์ด๋ค.
ReLU๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฐ์ฅ ํฐ ์ด์ ๋ ๊ธฐ์ธ๊ธฐ ๊ฐ์ด 0์ด์์ ์
๋ ฅ์ ๋ํด์ 1์ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ธฐ์ธ๊ธฐ ๊ฐ์ด ์ฌ๋ผ์ง์ง ์๊ณ ๊ณ์ ์ ์ง๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ค์ ํ์ ํ Gradient Vanishing ๋ฌธ์ ์ ๋ํด ์์ ๋กญ๋ค.
Sigmoid Function
์ด๋ ํ ์
๋ ฅ์ ๋ฃ๋ (0,1) ์ฌ์ด์ ๊ฐ์ผ๋ก ๋ณํํด ์ฃผ๋ ํจ์์ด๋ค.
Sigmoid๋ ๋งค์ฐ ๋งค๋๋ฌ์ด ํํ์ ๊ณก์ ์ผ๋ก ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๊ฐ ๊ธ๊ฒฉํ๊ฒ ๋ณํ์ง ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ Gradient Exploding ํ์์ด ๋ฐ์ํ์ง๋ ์์ง๋ง, ๋๋ถ๋ถ์ ์
๋ ฅ์ ๋ํด ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๊ฐ 0์ธ ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ๋
ธ๋์ ๊ฐ์ด ์ด๋ค ๊ฐ์ด์๋์ง ์๊ด ์์ด ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๊ฐ ์๋ฉธํด๋ฒ๋ฆฌ๋ Gradient Vanishing ํ์์ด ๋ฐ์ํ๋ค. ์ฆ, ๋ค์ layer์ ์๋ฌด ๊ฒ๋ ์ ๋ฌ๋์ง ์๋ ํ์์ด ๋ฐ์ํด ์ ํธ๊ฐ ์ ๋ฌ๋์ง ์๋๋ค.
Tanh Function
4.4 Model Selection, Underfitting, and Overfitting
๋ฅ๋ฌ๋์ ํฌํจํ ๋จธ์ ๋ฌ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์์ ๊ฐ์ฅ ์ค์ํ ๊ฒ์ ํจํด์ ์ฐพ๋๊ฒ์
๋๋ค.
ํ์ง๋ง ์ฐ๋ฆฌ๋ ๋จ์ํ ํจํด์ ๊ธฐ์ตํ๋ ๊ฒ์ด ์๋ ์ฒ์๋ณด๋ ์ ํ์ ๋ํด์๋ ๋์ํ ์ ์๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๋ง๋ค์ด์ผ ํฉ๋๋ค. ํน์ ์ํฉ์์๋ง ์ฌ์ฉ๋๋ ๋ชจ๋ธ์ ์ฌ์ฉํ ์ ์๊ณ , ์ ํ ๋ณด์ง ๋ชปํ ๊ฒ์ ์์ธก ํ ์ ์์ด์ผ ํฉ๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ์ผ๋ฐ์ ์ธ ํจํด์ ์ฐพ๋๊ฒ์ด ๊ฐ์ฅ ์ค์ํฉ๋๋ค.
ํ์ง๋ง ์ฐ๋ฆฌ๊ฐ ์ ๊ทผํ๋ ๋ฐ์ดํฐ์ ์์ ์ ์ฒด ๋ฐ์ดํฐ ์์ ์์ ์ผ๋ถ๋ถ์ผ ๋ฟ์
๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ์ฌ๋ฐ๋ฅธ ์์ธก์ ํ๊ธฐ๊ฐ ์ด๋ ต๊ณ , ๋ชจ๋ธ์ด ์ค์ ๋ถํฌ๋ณด๋ค Training dataset ๋ถํฌ์๋ง ๋ ๊ทผ์ ํ๊ฒ ๋๋ ํ์์ด ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ Overfitting์ด๋ผ๊ณ ํฉ๋๋ค.
4.4.1 Training Error and Generalization Error
Overfitting์ ๋ํด ๋ณธ๊ฒฉ์ ์ผ๋ก ๋ค๋ฃจ๊ธฐ ์ ์, ์ฐ๋ฆฌ๋ 2๊ฐ์ง ํํ์ Error๊ฐ ์กด์ฌํจ์ ์ธ์งํด์ผ ํฉ๋๋ค.
(1) Training Error โ Training Dataset์ ํ์ฉํด ํ์ต์ ํ ๋ ์๊ธฐ๋ Error
(2) Generalization Error โ ์ฃผ์ด์ง dataset์ด ์๋ ๋ค๋ฅธ ์ถ๊ฐ์ ์ธ dataset์ ๋ํ Error
์ฝ๊ฒ ๋งํด Training Error๋ ์ฃผ์ด์ง ๋ฌธ์ ์ง์ ๊ฐ์ง๊ณ ์ด๋์ ๋ ํ๋ ธ๋์ง๋ฅผ ๋งํ๋ค๋ฉด,
Generalization Error๋ ์์ ์ฒ์๋ณด๋ ์ํ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ๋น๊ตํ๋ ๊ฒ์
๋๋ค.
๊ทธ๋ ๋ค๋ฉด ์ด๋ฌํ Generalizablity์ ์ํฅ์ ์ฃผ๋ ์์์๋ ์ด๋ค๊ฒ์ด ์์๊น์?
1.
ํ๋์ด ๊ฐ๋ฅํ ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋ค์ ๊ฐ์ โ ํ๋ผ๋ฏธํฐ๋ค์ ๊ฐ์๊ฐ ๋ง์์ง์๋ก ์ค๋ฒํผํ
์ ์ทจ์ฝํด ์ง๋๋ค.
2.
ํ๋ผ๋ฏธํฐ๊ฐ ๊ฐ์ง์ ์๋ ๊ฐ์ ๋ฒ์ โ weight์ ๋ฒ์๊ฐ ํด์๋ก ์ค๋ฒํผํ
์ ์ทจ์ฝํด ์ง๋๋ค.
3.
Training Examples ๊ฐ์ โ ๋ฐ์ดํฐ์ ์๊ฐ ์ ๋ค๋ฉด ์ค๋ฒํผํ
์ ์ทจ์ฝํด ์ง๋๋ค.
4.4.2 Model Selection
์ฐ๋ฆฌ๋ ์ฌ๋ฌ ๋ชจ๋ธ๋ค์ ์ฑ๋ฅ์ ํ๊ฐํด์ ๋ชจ๋ธ์ ์ ์ ํด์ผํฉ๋๋ค.
multilayer perceptron์ ์๋ก ๋ค๋ฉด, ์ฐ๋ฆฌ๊ฐ ์ปจํธ๋กค ํ ์ ์๋ ๋ถ๋ถ๋ค์ hidden layer์ ๊ฐ์, hidden unit์ ๊ฐ์, ๊ฐ hidden layer์ activation function๋ฅผ ์ ํํ ์ ์์ต๋๋ค. ๋ชจ๋ธ์ ์ ํํ๊ธฐ ์ํ ์ฑ๋ฅํ๊ฐ ์์๋ก ํ์ํ ๊ฒ์ด ๋ฐ๋ก validation data set์
๋๋ค. ๊ทธ๋ ๋ค๋ฉด ์ ์ด๋ฌํ ๋ฐ์ดํฐ์
์ด ํ์ํ ๊น์?
Model Selection ๊ณผ์ ์์๋ Test dataset์ ์ฌ์ฉํด์ ์๋๊ณ , ๊ทธ๋ ๋ค๊ณ Training data๋ง์ ์ฌ์ฉํ๋ฉด ์ฌ๋ฐ๋ฅธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ์ป์ ์ ์์ต๋๋ค.ย ๊ทธย ์ด์ ๋ย Generalization Error์ดย Training Error๋กย ์์๋ ย ์ย ์๊ธฐย ๋๋ฌธ์
๋๋ค.
ํ๊ต์์ ์ํ์ ๋ณด๋๋ฐ ์ง๊ธ๊น์ง ํ์๋ ๋ฌธ์ ๋ ์์ ๋๊ฐ์ด ๋ผ๊ป~ ๋ผ๊ณ ๋ง์ํ์๋ ๊ฒ๊ณผ ๊ฐ์ต๋๋ค.
์ด๋ ๊ฒ ๋๋ฉด ๊ทธ ์น๊ตฌ๊ฐ ์ง์ง ์์์ ํธ๋๊ฑด์ง ์๋๋ฉด ๊ทธ๋๋ก ์ธ์์ ํธ๋๊ฒ์ธ์ง ๊ตฌ๋ถํ ์ ์๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
์ด๋ฅผย ๊ณ ๋ คํด์,ย Training data์ย Test datasetย ์ด์ธ์ย ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผย ํ๋ณดํด์ย ๋ชจ๋ธย ์ ํ์ย ์ฌ์ฉํด์ผํฉ๋๋ค.ย
์ด๋ ๊ฒย ํ๋ณดํย ๋ฐ์ดํฐ๊ฐย validation data set์ด ๋ฉ๋๋ค. (6/9์ ๋ชจ์๊ณ ์ฌ ๊ฐ์ ๋๋(?))
๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ๋๋ ๋๋ Training data์์ย ์์๋กย ์ ํํย ์ผ๋ถ์ย ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผย validation data set์ผ๋กย ์ฌ์ฉํ๊ณ ,ย ๋๋จธ์ง๋ฅผย Training data๋กย ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฒ์ด ์ ์์
๋๋ค. (ํ์ง๋ง ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ๋ถ์กฑํ๋ค๋ฉด ์ด์ผ๊ธฐ๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๋ค....)
K-fold Cross-Validation
์์ ๋งํ๋ฏ ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ์์ ์ถฉ๋ถํ ์ํฉ์ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ๋ถ์กฑํ ๋ฐ์ดํฐ์
์ ๊ฐ์ง๊ณ ํ์ต์ ํจ์จ์ ์ผ๋ก ์งํํ๊ธฐ ์ํด K-fold Cross-Validation์ ์ด์ฉํ๋ค.
Original training data๋ฅผ K๊ฐ์ ๊ฒน์น์ง ์๋ ๋ถ๋ถ๋ค๋ก ๋๋ ๋ค ๋ชจ๋ธ training / validation์ K๋ฒ ์ํํ๋ค.
ํ ๋ฒ์ ํ์ต ๋๋ง๋ค (k-1)๊ฐ์ subset์ผ๋ก ํ์ต์ ํ๊ณ , ๋๋จธ์ง ํ๋๋ก validation์ ์ํํ๋ค.
๋ง์ง๋ง์ผ๋ก training / validation error ๊ฐ ๊ฐ ํ์ต ๋๋ง๋ค ๋์ค๋ฉด ๊ฐ๋ค์ ํ๊ท ๋ด์ด
์ ์ฒด training / validation error๋ฅผ ๊ตฌํ๋ค.
4.4.3 Underfitting or Overfitting?
Underfitting์ ๋ชจ๋ธ์ด ๋๋ฌด ๊ฐ๋จํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ Training Error๊ฐ ์ค์ด๋ค์ง ์๋ ๊ฒ์
๋๋ค.
Overfitting์ ์์์ ์ธ๊ธํ๋ฏ์ด, Training Error๊ฐ Test dataset์ ์ํ Error๋ณด๋ค ์์ฃผ ์์ ๊ฒฝ์ฐ์
๋๋ค.
์ด ๋๊ฐ์ง ๊ฒฝ์ฐ๋ ๋ฐ๋์ ๋ชจ๋ ํด๊ฒฐ์ด ๋์ด์ผ ํ๋ฉฐ, ์ด๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด์ ์ ์ด๋ฐ ํ์์ด ์ผ์ด๋๋์ง ์์๋ณด์์ผ ํฉ๋๋ค.
Underfitting ๊ณผ Overfitting์ด ๋ฐ์ํ๋ ๊ฐ์ฅ ๊ทผ๋ณธ์ ์ธ ์์ธ 2๊ฐ์ง๋ฅผ ๋ฝ์๋ฉด,
๋ฐ๋ก ๋ชจ๋ธ์ Complexity์ ๋ฐ์ดํฐ์
์ Size์
๋๋ค.
1. Complexity(๋ชจ๋ธ์ ๋ณต์ก๋)
๋์ ์ฐจ์์ ๋คํญ์์ ๋ฎ์ ์ฐจ์์ ๋คํญ์๋ณด๋ค ๋ณต์กํ๊ณ , ๊ทธ๋ ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋ ๋ง์ ํ๋ผ๋ฏธํฐ์ ํจ์ ์ ํ์ ๋ฒ์๊ฐ ๋์ต๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋์ผํ ์์ Training Dataset์ ๊ฐ์ ํ์ ๋, ๊ณ ์ฐจ ๋คํญ์์ด ๋ ๋ฎ์ Training Error๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ฒ ๋ฉ๋๋ค. ํ์ง๋ง ์ฃผ์ด์ง ๋ฐ์ดํฐ ๋๋น ํจ์์ ์ฐจ์๊ฐ ๋๋ฌด ๋๋ค๋ฉด Generalization Loss๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
๋ฐ๋ผ์ ์ ์ ํ Complexity๋ฅผ ์ค์ ํด์ผ๋ง Underfitting ๊ณผ Overfitting ๋ฌธ์ ๋ฅผ ํด๊ฒฐํ ์ ์์ต๋๋ค.
2. Dataset Size(๋ฐ์ดํฐ์ ์ ํฌ๊ธฐ)
๋ชจ๋ธ์ ๊ณ ์ ์์ผ๋๊ณ , Training Dataset์ ์ ์ผ๋ฉด ์ ์์๋ก Overfitting์ ์ํ์ฑ์ ๋์์ง๋๋ค.
๋ฐ๋๋ก Training data๋ฅผ ๋๋ฆฌ๋ฉด ๋๋ฆด์๋ก, Generalization Error๋ ๊ฐ์ํฉ๋๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๋งํ๋ฉด, ๋ฐ์ดํฐ๋ ๋ง์์๋ก ์ข์ต๋๋ค!
๋ฅ๋ฌ๋์ ์ฑ๊ณต์ ๋ค์ํ ๋งค์ฒด๋ฅผ ํตํด ์๋ง์ ๋ฐ์ดํฐ์
์ ์ด์ฉํ์ฌ ํ์ต์ ์์ผฐ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ฐ๋ฅํด ์ก์ต๋๋ค.
4.4.4 Polynomial Regression
์์ ์ ์ํ Underfitting or Overfitting ์ํฉ์ ๋ง๋ค์ด ์ค์ ํจ์์์ training loss๊ฐ ์ด๋ ํ ์ํฉ์ ์ฒํด์ง๋์ง ํ์ธํด๋ณด์.
์ ์ฒ๋ผ ์ฃผ์ด์ง ์์์ 3์ฐจ ๋คํญ์์ ์ด์ฉํด ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ๋ง๋ค์ด๋ด
๋๋ค,
์ด ๋ ์ค์ ๋ฐ์ดํฐ๋ก ๋ฌ์ฌํ๊ธฐ ์ํด ฮตํญ์ ์ถ๊ฐํ๊ณ ์ด๋ ํ๊ท ์ด 0์ด๊ณ ๋ถ์ฐ์ด (0.1)^2 ์ธ ๋ถํฌ์
๋๋ค.
์์์ ์ผ๋ก ์๊ฐํ์์ ๋ ์ ์์ ๊ฐ์ฅ ์ ๋ฌ์ฌํ ์ ์๋ ๋คํญ์์ 3์ฐจ ๋คํญ์์ธ๊ฒ์ ๋น์ฐํ ์์ ์์ง๋ง,
์ค์ ์ํฉ์์๋ ์์ ๊ฐ์ ์์ด ์ฃผ์ด์ง์ง๋ ์์ ๋ฟ๋๋ฌ outlier๋ค๋ ๋ง๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๋คํญ์์ ์ฐจ์๋ฅผ ์ง์ํ๊ธฐ๋ ์ฝ์ง ์์ต๋๋ค.
์ด๋ฌํ ์ํฉ์์ ์ฐ๋ฆฌ๋ ์ฌ๋ฌ๊ฐ์ง ์ฐจ์๋ก ํจ์๋ฅผ ๊ฐ์ ํ๊ณ ํ์ต์ ์์ผ๋ณด๋๋ก ํ๊ฒ ์ต๋๋ค.
(1) 3์ฐจ ๋คํญ์ ํจ์๋ก ์ ์ํ๊ณ ํ์ต(weight ๊ฐ์๊ฐ 4๊ฐ)
training loss๊ฐ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ค์ด๋ค๊ณ ์์์ ํ์ธํ ์ ์์ต๋๋ค.
2)1์ฐจ ๋คํญ์ ํจ์๋ก ์ ์ํ๊ณ ํ์ต(weight ๊ฐ์๊ฐ 2๊ฐ)
3์ฐจ ํจ์๋ก ํํ๋๋ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ 1์ฐจ ํจ์๋ก ํํํ๋ ค๋ค ๋ณด๋ ๋น์ฐํ๊ฒ๋ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ ๋๋ก ๋ฌ์ฌํ์ง ๋ชปํ๊ณ ์ค์ฐจ๊ฐ ๋ง์ด ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค. ์ด์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ๋ก training loss๊ฐ ์ผ์ ๊ฐ ์๋๋ก ๋ด๋ ค๊ฐ์ง ์๊ณ ์์ต๋๋ค. ์์ ๊ฐ์ non-linear pattern์ linear model๋ก ์ ํฉ์ํค๋ ค ํ๋ฉด Underfitting์ด ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
3)๊ณ ์ฐจ(>>3) ๋คํญ์์ผ๋ก ์ ์ํ๊ณ ํ์ต (weight ๊ฐ์๊ฐ ๋๋ฌด ๋ง๋ค)
์ด๋ฌํ ์ํฉ์์๋ ๊ณ ์ฐจ ๊ณ์(4์ฐจ ์ด์)์ ๊ฐ์ด 0์ ๊ฐ๊น์์ผ ํ๋ค๋ ๊ฒ์ ํ์ตํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ๋ถ์กฑํ ์ํ์ด๊ณ ์ด๋ฐ ์ํฉ์์ ์ง๋์น๊ฒ ๋ณต์กํ ๋ชจ๋ธ์ Training dataset์ noise์ ์ํฅ์ ๋ง์ด ๋ฐ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
Training Loss๋ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ค์ผ ์ ์์ง๋ง, Test Loss์ ๋์ ๊ฐ์ ์ ์งํ๊ฒ ๋์ด๋ฒ๋ ค ๊ฒฐ๊ตญ Overfitting์ด ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
๊ทธ๋ ๋ค๋ฉด ์ด๋ฌํ Overfitting, Underfitting issue๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์ ์ด๋ค ๊ฒ์ด ์์๊น์?
4.5 Weight Decay
์์ ์ ์ํ Overfitting์ ์ ์ดํ๊ธฐ ์ํด, training datasets์ ๋๋ฆฌ๋ ๊ฒ์ด ์ข๋ค๊ณ ํ์์ต๋๋ค.
ํ์ง๋ง ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ถ๊ฐ์ ์ผ๋ก ์ป๋๊ฒ์ ํ์ค์ ์ผ๋ก ์ฝ์ง ์์ ์ผ์
๋๋ค.
๋ํ ์ฐจ์๋ฅผ ์กฐ์ ํ์ฌ ํจ์์ Complexity๋ฅผ ์กฐ์ ํ๋ ๊ฒ๋ ํ๊ณ๊ฐ ์์ต๋๋ค.
๊ทธ๋์ ์ฐ๋ฆฌ๋ ํจ์์ Complexity๋ฅผ ์กฐ๊ธ ๋ ์ฐ์ํ๊ฒ ์กฐ์ ํ๋ tool์ ์ฌ์ฉํ ๊ฒ์
๋๋ค.
4.5.1 Norms and Weight Decay
๊ทธ ์ค ํ๋๊ฐ ๋ฐ๋ก weight decay์
๋๋ค. regularization technique์ค ํ๋ ์ธ๋ฐ์.
์๋ฅผ ๋ค์ด, linear function ๋ฅผ ๊ฐ์ ํ์์ ๋, ์ด ํจ์์ Complexity๋ ๋ก ํํ ๋ฉ๋๋ค. ์ด ๊ฐ์ด ์์ ์๋ก ํจ์๊ฐ ๋ ๋จ์ํด ์ง๋ ๊ฒ์
๋๋ค. ( norm ์ฌ์ฉ)
์ด ๊ฐ์ ๊ณ์ ์๊ฒ ์ ์งํ๊ธฐ ์ํด ์ด ๊ฐ์ penalty๋ก ์ทจ๊ธํ๊ณ loss์ ์ถ๊ฐ๋ฅผ ํฉ๋๋ค.
training label์ ๋ํ ์์ธก ์ค์ฐจ ์ค์ด๊ธฐ ์์ ์์ธก ์ค์ฐจ + penalty norm ๋๊ฐ ๋ค ์ค์ด๊ธฐ๋ก ๋ชฉํ๊ฐ ๋ณ๊ฒฝ์ด ๋์์ต๋๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ๋๋ฉด ๋ง์ฝ weight์ด ๋๋ฌด ์ปค์ง๋ฉด Training Error๋ฅผ ์ค์ด๋ ๊ฒ๋ณด๋ค weight๋ฅผ ์ค์ด๋ ๊ฒ์ ์ฐ์ ์ ์ผ๋ก ํ๊ฒ ๋ง๋ค๊ธฐ ๋๋ฌธ์ complexity๋ฅผ ์กฐ์ ํ ์ ์์ต๋๋ค. ์์ผ๋ก ํํํ๋ฉด ์๋์ ๊ฐ์ต๋๋ค.
์ด๋ฌํ regularization์ ์กฐ์ ํ๊ธฐ ์ํด, ์ฐ๋ฆฌ๋ ๋ฅผ ์ถ๊ฐํ์ฌ ์กฐ์ ํฉ๋๋ค. ์ด ๊ฐ์ hyperparameter๋ก์จ ์ฌ์ฉ์๊ฐ ์กฐ์ ํด์ผ ํ๋ ๊ฐ์
๋๋ค.
์ด๋ ๊ฒ ๋ค์ Loss function์ ์ ์ํ ํ Training์ ํตํด ๋ฅผ ์
๋ฐ์ดํธ ํด ๋๊ฐ๋๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ฐฉ๋ฒ์ ํตํด weight์ ์ค์ฌ๊ฐ๋ฉฐ complexity๋ฅผ ์ค์ฌ ๋๊ฐ๋๋ค.
ํ๋ผ๋ฏธํฐ์ ๊ฐ์๋ฅผ ์ง์ ์กฐ์ ํด๊ฐ๋ฉฐ complexity๋ฅผ ์กฐ์ ํ๋ ๊ฒ๋ณด๋จ ํจ์ฌ ๋์ ๋ฐฉ๋ฒ์ธ ๊ฑฐ ๊ฐ์ต๋๋ค!
4.6 Dropout
Dropout์ ์ ์ฒด ๋ชจ๋ weight๋ฅผ training์ ์ฐธ์ฌ์ํค์ง ์๊ณ , ์ผ๋ถ๋ง ์ฐธ์ฌ์ํค๋ ๋ฐฉ๋ฒ์
๋๋ค.
์๋ด์ โ์ฌ๊ณต์ด ๋ง์ผ๋ฉด ๋ฐฐ๊ฐ ์ฐ์ผ๋ก ๊ฐ๋คโ ๋ผ๋ ๋ง์ด ์๋ฏ, ์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ ์ฌ๊ณต์ ๋ช ๋ช
์ค์ด๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์งํ๋ฉ๋๋ค.
์ด ๋ ์ด ์ฌ๊ณต๋ค์ ํ๋ฅ ๋ฅผ ๋ฐ๋ผ ๋ฌด์์๋ก ๋ฝ๋ ๊ฒ์
๋๋ค.
ํ์ต์ ํ ๋๋ง๋ค ๋งค๋ฒ ๋ฌด์์๋ก hidden unit์ ์ ๊ฑฐํด training์ ์งํ์ํค๋ ๋ฐฉ์์
๋๋ค.
4.6.3 Dropout in Practice .
Dropout์ hidden layer์ ์ฌ์ฉํ๋ค๋ ๊ฒ์ ๊ฐ hidden unit์ ํ๋ฅ ๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ 0์ผ๋ก ๋ง๋ญ๋๋ค. (์ ๊ฑฐ)
์๋ ๊ทธ๋ฆผ์ ์ดํด๋ณด๋ฉด, ์ ๊ฐ ์ ๊ฑฐ๋ ๊ฒ์ ์์ ์์ต๋๋ค.
๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ถ๋ ฅ์ ๊ณ์ฐํ ๋, ์ถ๋ ฅ์ ๋์ด์ ์ค ์ด๋ ํ๋์๋ ์์กดํ์ง ์๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
์ด๋ ๊ฒ ํจ์ผ๋ก์จ ์ด๋ค ํน์ feature์ ๋งค๋ชฐ๋๋ ํ์์ ์ค์ฌ overfitting์ ์ค์
๋๋ค.
4.7 Forward Propagation, Backward Propagation, and Computational Graphs
์๋ ๋ชจ๋ธ์ ํน์ง
โข
ํ ๊ฐ์ hidden layer๋ฅผ ๊ฐ์ง๋๋ค.
โข
norm regularization์ ์ ์ฉํ์์ต๋๋ค.
4.7.1 Forward Propagation
4.7.2 Computational Graph of Forward Propagation
4.7.3 Backpropagation
4.7.4 Training Neural Networks
Neural Network๋ฅผ training ํ๋ ๊ฒฝ์ฐ,
Forward Propagation ๊ณผ์ ์์ ์ฐ๋ฆฌ๋ ์์ ๋ฐฉํฅ๋๋ก ์ฐ์ฐ์ ์ํํ๊ณ ๊ทธ ๊ณผ์ ์์ ๊ณ์ฐ๋๋ ๋ชจ๋ ๋ณ์์ ๊ฐ์ ์ ์ฅํ๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ๊ทธ ๊ฐ๋ค์ด Backpropagation ๊ณผ์ ์์ ๋ค์ ์ฌ์ฉ๋ฉ๋๋ค.
์ด๋ฌํ ์ด์ ๋๋ฌธ์ Backpropagation๊ณผ์ ์์ ๋ฉ๋ชจ๋ฆฌ๋ฅผ ๋ง์ด ์ฌ์ฉํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค.
4.8 Numerical Stability and Initialization
Activation function์ ์ ์ ํํด์ผ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ Loss๋ฅผ ๋น ๋ฅด๊ฒ ์ค์ฌ๋๊ฐ์ ์๊ณ
๋ํ ํน๋ณํ ์ ์ํ์ง ์์๋ ์ด๊ธฐ ํ๋ผ๋ฏธํฐ ๊ฐ๋ค์ ์ด๋ป๊ฒ ์ค์ ํด์ผํ ์ง๋ฅผ ๊ณต๋ถํด์ผํฉ๋๋ค.
4.8.1 Vanishing and Exploding Gradients
์
๋ ฅ์ด , ์ถ๋ ฅ์ด ์ด๊ณ layers๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๋คํธ์ํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ ํด๋ณด๊ฒ ์ต๋๋ค.
์์ ์ ์ํ backpropagation ๊ณผ์ ์์์ chain rule ๋๋ฌธ์ ์์์ layer์ weight์ ํธ๋ฏธ๋ถ๊ฐ์ ๊ตฌํ๊ธฐ ์ํด์ ๋ง์ ํ๋ ฌ์ ๊ณฑ์ ํํ๋ก ํํ๋ฉ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ฐ์ด ์์ฒญ๋๊ฒ ์ปค์ง๊ฑฐ๋ ์์์ง๊ฑฐ๋ ํ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ด ์์ต๋๋ค.
์ด๋ ๊ฒ ๋๋ฉด Loss ๊ฐ์ ์๋ ด์ํค๊ธฐ ์ด๋ ค์์ง๋๋ค.
์์ ์ ์ํ Sigmoid function์ด ๊ทธ ์ค ํ๊ฐ์ง ์ฌ๋ก์
๋๋ค.
sigmoid์ gradient๊ฐ์ด ๋๋ต [-4,4]๋ฒ์์ ๋ค์ด๊ฐ์ง ์๋ ์์ด๋ฉด ๊ฐ์ ๊ฑฐ์ 0์ผ๋ก ์๋ ดํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์ต๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ณฑ์ ํํ๋ก ํํ๋๋ gradient ๊ฐ์ด 0์ ๊ฐ๊น์์ ธ ์๋ฉธํ๊ฒ ๋์ฌ ํ์ต์ ์ ๋๋ก ์งํํ์ง ๋ชปํ๊ฒ ๋ฉ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ฐ๋ฆฐ sigmoid ๋ณด๋ค๋ ReLU๋ฅผ ์ฃผ๋ก ์ฌ์ฉํฉ๋๋ค.
4.8.2 Parameter Initialization
โ์ด๋์ ์ถ๋ฐํด์ผ ์ฐ์ ์ ๋ด๋ ค๊ฐ ์ ์์๊น?โ
์์ ๋ค๋ฃฌ Vanishing/Exploding Gradients ๋ฌธ์ ๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์ด ๋ฐ๋ก Weight Initialization์ด๋ค.
์์์ ์ธ๊ธํ๋ฏ์ด ๋ฅ๋ฌ๋์ BackPropagation ๊ณผ์ ์ด ๊ฐ์ฅ ์ค์ํ ๊ณผ์ ์ด๋ค.
๊ฐ์ค์น ์ด๊ธฐํ๋ฅผ 0์ผ๋ก ํ๋ฉด ์ด๊ธฐ gradient ๊ฐ์ด ์๋ฉธ๋๊ณ ๋๋ฌด ํฌ๊ฑฐ๋ ์์ ๊ฐ์ผ๋ก ํ๊ฒ๋๋ฉด ํ์ต์ด ์ ๋์ง ์๋๋ค.
์ด๋ฐ ๊ฐ์ค์น ์ด๊ธฐํ๋ฅผ ํ๋๋ฐ ์์ด์ ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ฌ์ฉํ๋ 2๊ฐ์ง ๋ฐฉ๋ฒ์ด ์๋ค.
(1) Xavier initialization โ Sigmoid, Tanh
(2) He initialization โ ReLU
4.9 Environment and Distribution Shift
Training dataset์์ ์ ํ๋ จํ๊ณ test dataset์์ ์ ๋์ํ์ง ์๋๋ค โ Overfitting์ด ์๋๊น? ๊ฐ ์ง๊ธ๊น์ง์ ๊ฒฐ๋ก .
๊ทธ๋ฌ๋ test dataset๊ณผ training dataset์ ๋ถํฌ๊ฐ ์์ ๋ค๋ฅด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ๋์ํ์ง ์๋ ๊ฒ์ผ ์ ์๋ค.
4.9.1 Types of Distribution Shift
1.
Covariate Shift
์
๋ ฅ์ ๋ถํฌ๋ ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ผ ๋ฌ๋ผ์ง๋๋ฐ, ์กฐ๊ฑด๋ถ ๋ถํฌ์ธ ๊ฐ ๋ฐ๋์ง ์๋ ๊ฒ.
2.
Label Shift
์์ ๊ฒฝ์ฐ์ ๋ฐ๋ - ์ถ๋ ฅ์ ๋ถํฌ๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๊ณ , ์กฐ๊ฑด๋ถ ๋ถํฌ ๊ฐ ๋ฐ๋์ง ์๋ ๊ฒ
3.
Concept Shift
label์ ์ ์ ์์ฒด๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๋ ๊ฒ
4.9.2 Examples of Distribution Shift
์์จ ์ฃผํ์ฐจ๋ฅผ ๋ง๋ค๊ธฐ ์ํด ๋จธ์ ๋ฌ๋ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ด์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ,
๊ฐ์ฅ ์ค์ํ ๊ฒ์ ๋๋ก ํ์ง์
๋๋ค. ์ค์ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ป๊ธฐ์ ๋๋ฌด ๋น์ธ์ ๋ ๋๋ง ์์ง ์์์ ์ป์ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ด์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ ๊ฐ์ ํ๊ฒฝ์์๋ ์ ๋์ํ์ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ด๋ผ๋, ์ค์ ํ๊ฒฝ์์๋ ์ ๋๋ก ๋์ ํ์ง ์์ ์ ์์ต๋๋ค.
์๋ํ๋ฉด ๋๋ก๊ฐ ๋๋ฌด ๋จ์ํ ํ
์ค์ณ๋ก ๋์ด ์์ด ๋๋ก์ โํน์งโ์ ๋๋ฌด ๋นจ๋ฆฌ ์ตํ๋ฒ๋ฆฌ๊ธฐ ๋๋ฌธ์
๋๋ค.



























