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최소제곱법과 기하

선형회귀의 잔차를 최소화하는 문제는 y를 X의 열공간에 직교 투영하는 것과 같고, 그 해가 정규방정식 hat{w} = (X^top X)^{-1} X^to…

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한 줄 요약

선형회귀의 잔차를 최소화하는 문제는 yy를 XX의 열공간에 직교 투영하는 것과 같고, 그 해가 정규방정식 w^=(X⊤X)−1X⊤y\hat{w} = (X^\top X)^{-1} X^\top y다.

핵심 개념

  • 선형 모델: 예측은 y^=Xw\hat{y} = Xw. 주어진 것은 XX(피처 행렬, n×pn\times p)와 yy(레이블, n×1n\times 1), 찾는 것은 가중치 ww.
  • 잔차(Residual): r(w)=y−Xwr(w) = y - Xw. 모델 오차, 측정 오차, 노이즈 등으로 y≠Xwy \ne Xw가 일반적이므로 잔차가 생긴다.
  • 최소제곱(Least Squares): ∥r(w)∥22=∑iri2\|r(w)\|_2^2 = \sum_i r_i^2를 최소화하는 ww를 찾는 것. 제곱을 쓰는 이유 → 부호 무시, 미분 용이(closed-form 존재), 큰 오차에 큰 페널티, 기하학적 해석, 가우시안 노이즈 가정 시 MLE와 일치.
  • Span: 벡터들의 모든 선형결합 집합. y^=Xw\hat{y} = Xw는 항상 span(cols(X))\text{span}(\text{cols}(X)) 안에 있지만, yy는 노이즈 때문에 그 밖에 있을 수 있다.
  • 직교 투영: 평면 밖의 점(yy)에서 평면(span)까지 최단 거리는 수직으로 내린 점. 따라서 최적 y^\hat{y}는 yy의 직교 투영이고, 잔차 r^=y−y^\hat{r} = y - \hat{y}는 span에 수직이다.
  • 선형독립 / Rank / 역행렬: rank(X)\text{rank}(X) = 선형독립 열(=행)의 개수. 역행렬은 정사각 + full rank일 때만 존재. XX는 보통 정사각이 아니라서 X−1X^{-1}로 못 푼다.
개념핵심 내용
Span선형결합으로 도달 가능한 공간 (평면/부분공간)
직교 조건X⊤r^=0X^\top \hat{r} = 0
Full column rankrank(X)=p\text{rank}(X) = p, n≥pn \ge p
X⊤XX^\top X항상 p×pp\times p 정사각 → 역행렬 존재 가능

핵심 수식 / 예시

직교 조건에서 정규방정식 유도: X⊤r^=X⊤(y−Xw^)=0  ⇒  X⊤X w^=X⊤yX^\top \hat{r} = X^\top(y - X\hat{w}) = 0 \;\Rightarrow\; X^\top X\,\hat{w} = X^\top y

X⊤XX^\top X가 역행렬을 가지면: w^=(X⊤X)−1X⊤y(Normal Equation)\hat{w} = (X^\top X)^{-1} X^\top y \quad \text{(Normal Equation)}

피타고라스로 직교가 최소임을 증명: 직교가 아닌 잔차 r~\tilde{r}에 대해 ∥r~∥2=∥r^∥2+∥d∥2>∥r^∥2(d≠0)\|\tilde{r}\|^2 = \|\hat{r}\|^2 + \|d\|^2 > \|\hat{r}\|^2 \quad (d \ne 0)

X⊤XX^\top X 역행렬 존재 조건: n≥pn \ge p 이고 rank(X)=p\text{rank}(X) = p (full column rank) 이면 X⊤XX^\top X가 p×pp\times p full rank → (X⊤X)−1(X^\top X)^{-1} 존재.