Least square data fitting
¼öÄ¡ÇØ¼® : Kendall Atkinson Àú, ±è¼±¿µ ¿Å±è, ÈñÁß´ç, 1994 (¿ø¼ : Elementary Numerical Analysis : John Wiley & Sons, 1993), page 275~284
¼±Çü ÃÖ¼ÒÀڽ ±Ù»ç¹ý (The Linear Least Square Approximation)
´ÙÇ×½Ä ÃÖ¼ÒÀڽ ±Ù»ç¹ý (Polynomial Least Square Approximation)
°úÇÐÀû, °øÇÐÀû ½ÇÇè¿¡¼ ¹°¸®·®ÀÇ ÃøÁ¤Àº ÀϹÝÀûÀ¸·Î ´Ù¼Ò ºÎÁ¤È®ÇÏ´Ù. À̰ÍÀº Àΰ£ÀÇ ¿ÀÂ÷ ¶§¹®ÀÏ °ÍÀÌ´Ù. ±×·¯³ª ÃøÁ¤À» ÇÏ´Â µµ±¸ ±× ÀÚüÀÇ ÇÑ°è ¶§¹®ÀÎ °æ¿ì°¡ ´õ ¸¹´Ù. ÀÌ Àý¿¡¼ ÀÌ·¯ÇÑ °ªµé¿¡ ³ªÅ¸³ª´Â ÃøÁ¤¿ÀÂ÷ÀÇ È¿°ú¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇÏ¸é¼ °æÇè¿¡ ±Ù°Å¸¦ µÎ°í ¾ò¾îÁø °ªµé »çÀÌÀÇ °ü°è¸¦ ±¸Çϱâ À§ÇÑ ¹æ¹ýÀ» ¹è¿î´Ù.
°ü°è
(1)
¸¦ ±¸Çϱâ À§ÇØ, 2 °³ÀÇ °ü·ÃµÈ °ª ¿Í
ÀÇ ÃøÁ¤ÀÌ Æ÷ÇԵǴ ½ÇÇèÀ» »ìÆìº¸ÀÚ. ½ÇÇè¿¡¼
ÀÇ ´Ù¾çÇÑ °ªÀ» ¼±ÅÃÇÏ¿©
À̶ó ³õ°í ÀÌ¿¡ ´ëÀÀµÇ´Â
°ªÀ» ÃøÁ¤ÇÑ´Ù. ½ÇÁ¦ÃøÁ¤°ªÀ»
À̶ó ³õ°í
(2)
À¸·Î ÃøÁ¤¿ÀÂ÷¸¦ ³ªÅ¸³»±â·Î ÇÏÀÚ. ½ÇÇèÀÚ´Â °¡´ÉÇÑÇÑ
Á¤È®È÷ ÇØ¼®Àû °ü°è (1) À» °áÁ¤Çϱâ À§ÇØ Á¡ À» »ç¿ëÇϱ⸦ ¿øÇÑ´Ù.
½Ä (1) Àº Ç×»ó ´ÙÇ×½Ä, spline ÇÔ¼ö ¶Ç´Â º¸°£ÇÔ¼öÀÇ
±âŸ ´Ù¸¥ ÇüÅÂÀÇ º¸°£¹ýÀ» »ç¿ëÇÔÀ¸·Î½á ¾òÀ» ¼ö ÀÖ´Ù. ±×·¯³ª À̰ÍÀº ¿ÀÂ÷ °¡ Á¸ÀçÇÑ´Ù´Â °ÍÀ» ¹«½ÃÇϸç, Á¾Á¾ ÇÔ¼ö
¿¡ ´ëÇÑ À߸øµÈ ±Ù»ç°ªÀ» Á¦°øÇϱ⵵ ÇÑ´Ù. ½ÇÇèÀÚµéÀº ÇÔ¼ö
°¡ ¾î¶² ¾Ë·ÁÁ® ÀÖ´Â ÇÔ¼ö±º - ¿¹¸¦µé¸é ´ÙÇ×½Ä °°Àº °Í - ¾È¿¡ Æ÷ÇԵǾîÁ® ÀÖÀ»
¼ö ÀÖ´Ù´Â °ÍÀ» ¾Ë°Å³ª ȤÀº ÃßÃøÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. ±×·¯¸é ±×µéÀº
¸¦ °¡Àå Àß ÃßÁ¤ÇÒ ÇÔ¼ö±º Áß ÇÑ ÇÔ¼ö¸¦ ¼±ÅÃÇÏ·Á ÇÒ °ÍÀÌ´Ù. ½ÇÇèÀû ¿ÀÂ÷
À» ¿°µÎ¿¡ µÎ°í, ±×·¯ÇÑ »óȲÀÇ ¿¹·Î¼ ±×¸² 1 °ú Ç¥ 1 ÀÇ µ¥ÀÌÅ͸¦ °í·ÁÇØ º¸ÀÚ.
ÀÌ·±
°¡ ¼±Çü´ÙÇ×½Ä
(3)
Ç¥ 1 ½ÇÇè°á°ú
|
|
|
|
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 |
-1.945 -1.253 -1.140 -1.087 -0.760 -0.682 -0.424 -0.012 -0.190 0.452 0.337 |
3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0
|
0.764 0.532 1.073 1.286 1.502 1.582 1.993 2.473 2.503 2.322
|
±×¸² 1 Ç¥ 1 ÀÇ ½ÇÇè°á°ú¿¡ ´ëÇÑ ÇÁ·Î±×·¥
°¡ µÉ °ÍÀ» ¾Ë ¼ö ÀÖ´Ù. À̰ÍÀÌ Å¸´çÇÏ´Ù°í °¡Á¤Çϸé
¸¦ °áÁ¤ÇÏ´Â ¹®Á¦´Â »ó¼ö
°ú
¸¦ °áÁ¤ÇÏ´Â °ÍÀ¸·Î Á¼ÇôÁú ¼ö ÀÖ´Ù.
ÀÇ ±Ù»ç°ªÀ» °áÁ¤Çϱâ À§ÇØ ¿ÀÂ÷
¿¡ ´ëÇÑ °¡Á¤ÀÌ ÇÊ¿äÇÏ´Ù. ÇÑ °¡Á¤Àº ÀÌ·¯ÇÑ ¿ÀÂ÷°¡ Á¤»óÈ®·üºÐÆ÷ (normal probability
distribution) ¿¡¼ ¼±ÅÃÇÑ ¹«ÀÛÀ§º¯¼ö (random variable) À̶ó°í °¡Á¤ÇÏ´Â °ÍÀÌ´Ù.
À̰ÍÀº È®·ü°ú Åë°è°úÁ¤¿¡¼ ´Ù·ç´Â °³³äÀÌ´Ù. ÀÌ ºÎºÐÀº ³Ê¹« º¹ÀâÇÑ °ÍÀÌ¾î¼ ¿©±â¿¡¼
´Ù·çÁö´Â ¸øÇÑ´Ù. ±×·¯³ª ÀÌ °¡Á¤À» ¸¸Á·ÇÏ´Â ¿ÀÂ÷´Â ´ÙÀ½ÀÇ ¼ºÁúÀ» °®°í ÀÖ´Ù. (1)
¸¸¾à
¿¡ ´ëÇÑ ½ÇÇèÀ» ¸¹ÀÌ ¹Ýº¹ÇÑ´Ù¸é ½ÇÇè°ª
¿¡¼ °ü·ÃµÈ ¹ÌÁöÀÇ ¿ÀÂ÷
ÀÇ Æò±ÕÀº 0 ÀÌ´Ù. (2) (1) ÀÇ
¿¡ ´ëÇÑ ½ÇÇèÀÇ °æ¿ì
°¡ Ä¿Áö¸é ¶È°°Àº
°¡ ¹ß»ýÇÒ °¡´É¼ºÀº ÁÙ¾îµç´Ù. ¿ÀÂ÷
¿¡ ´ëÇÑ ÀÌ·± °¡Á¤ÀÌ ¼º¸³Çϴµ¥´Â ÃæºÐÇÑ ÀÌÀ¯°¡ ÀÖ´Ù. À̸¦ Á¤»ó¿ÀÂ÷¿¡ ´ëÇÑ
°¡Á¤ (normal error assumption) À̶ó°í ÇÑ´Ù. ¼³¸íÀ» °£´ÜÈ÷ Çϱâ À§ÇØ
¿¡¼
´Â °°Àº Á¤»óÈ®·üºÐÆ÷ÇÔ¼ö¿¡¼ÀÇ ¹«ÀÛÀ§º¯¼ö¶ó°í °¡Á¤ÇÑ´Ù. À̶§
ÀÇ Å©±â¿Í´Â ¹«°üÇÏ´Ù. ÇÔ¼ö
°¡ ¾Ë·ÁÁ® ÀÖ´Â ÇÔ¼ö±º C ¿¡ ÀÖ´Ù°í °¡Á¤ÇÏÀÚ. ¿¹Á¦´Â
°¡ Ç¥ 1 ¿¡ ÀÖ´Â µ¥ÀÌÅÍó·³ ¼±ÇüÇÔ¼ö¶ó°í °¡Á¤ÇÑ´Ù. ±×·¯¸é C ¿¡ ÀÖ´Â ¸ðµç
ÇÔ¼ö
Áß¿¡¼
¿Í °ÅÀÇ °°Àº ÇÔ¼ö
Àº ´ÙÀ½ÀÇ ½ÄÀ¸·Î ÃÖ¼Ò鵃 °ÍÀÌ´Ù.
(4)
À̰ÍÀ» ¿¡ ´ëÇÑ µ¥ÀÌÅÍ
ÀÇ ±Ù»ç°ª¿¡¼ÀÇ Æò±ÕÁ¦°ö±Ù (root-mean square) ¿ÀÂ÷¶ó°í ºÎ¸¥´Ù. C ¿¡ ÀÖ´Â
ÇÔ¼ö
¿¡ °ü·ÃµÈ E ¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â ÇÔ¼ö
´Â µ¥ÀÌÅÍ
¿¡ ´ëÇÑ ÃÖ¼ÒÀڽ±ٻ簪À̶ó°í ÇÑ´Ù.
E ¿¡¼ ¶ó°í »ý°¢Çغ¸ÀÚ. ÀÌ·¯ÇÑ ÇÔ¼ö
¿¡ °üÇÏ¿© (4) ¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â ½Ãµµ¸¦ Çϱâ Àü¿¡, E ¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â °ÍÀº ºñ·Ï
ÃÖ¼Ò°ªÀÌ ´Ù¸¦Áö¶óµµ (4) ¿¡ ÀÖ´Â ÇÕÀ» ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â °Í°ú µ¿Ä¡À̶ó´Â °Í¿¡ À¯ÀÇÇ϶ó.
¿Í
ÀÌ ÀÓÀÇ·Î º¯ÈÇÑ´Ù¸é
(5)
À» ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â ¿Í
À» ±¸ÇÑ´Ù.
´Ùº¯¼ö ÇÔ¼ö¿¡¼ À» ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â
ÀÇ °ªÀº
(6)
¸¦ ¸¸Á·ÇÒ °ÍÀÌ´Ù. ½Ä (5) ·ÎºÎÅÍ
°¡ µÈ´Ù. À̰ÍÀ» (6) °ú °áÇÕÇÏ¸é ´ÙÀ½°ú °°Àº Å©±â°¡ 2 ÀÎ ¼±Çü°è¸¦ ¾ò´Â´Ù.
(7)
Çà·Ä½ÄÀÌ 0 ÀÌ ¾Æ´Ï¸é, À̰ÍÀº À¯ÀÏÇÑ ÇØ À» ±¸ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
(8)
ÀÌ Á¶°ÇÀº
ÀÎ °æ¿ì¸¦ Á¦¿ÜÇÑ ¸ðµç °æ¿ì¿¡ ¸¸Á·µÉ °ÍÀÌ´Ù.
±×·¯³ª ÀÇ ¼ö°¡ ¸ðµÎ ´Ù¸£´Ù°í °¡Á¤Ç߱⠶§¹®¿¡ ¸ðµÎ °°À» ¼ö ¾ø´Ù.
¿¹Á¦ Ç¥ 1 ÀÇ µ¥ÀÌÅÍ¿¡ ÀûÇÕÇÑ ÃÖ¼ÒÀÚ½ÂÇÔ¼ö¸¦ °áÁ¤Çغ¸ÀÚ. ±×·¯¸é
ÀÌ´Ù. ½Ä (7) ¿¡ À̰ÍÀ» »ç¿ëÇϰí
À» ±¸ÇÑ´Ù. Ç¥ 1 ÀÇ µ¥ÀÌÅÍ¿¡ ÀûÇÕÇÑ ¼±ÇüÃÖ¼ÒÀÚ½ÂÇÔ¼ö´Â ±×¸² 2 (9) ÀÇ ¼±ÇüÃÖ¼ÒÀڽ±ٻç
°¡ µÈ´Ù. À̰ÍÀº ¼±ÇüÇÔ¼ö E = 0.171 ÀÌ´Ù. ÀÌ´Â ½Ä (9) ÀÇ ÃÖ¼ÒÀÚ½ÂÀ¸·Î Ç¥ 1 ÀÇ µ¥ÀÌÅÍ¿¡ ´ëÇÑ ±Ù»ç°ªÀ» ±¸ÇÒ ¶§ÀÇ Æò±Õ¿ÀÂ÷·Î¼ »ý°¢ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. ±×¸² 2 ´Â Ç¥ 1 ÀÇ µ¥ÀÌÅ͸¦ Á¡À¸·Î Ç¥½ÃÇÑ (9) ÀÇ ±×·¡ÇÁÀÌ´Ù. |
´ëºÎºÐÀÇ ¼±ÇüÇÔ¼ö¿Í ´ëÀÀµÇÁö´Â ¾Ê´Â´Ù. ´õ º¹ÀâÇÑ
ÇÔ¼ö¿¡ ´ëÀÀµÈ´Ù. Àº ÀÓÀÇÀÇ ¼öÀ̰í
Àº ÁÖ¾îÁø ÇÔ¼öÀÏ ¶§
(10)
°¡ µ¥ÀÌÅÍ ¸¦ ³ªÅ¸³½´Ù°í ÇÏÀÚ.
¿¹¸¦ µé¾î ¸¸¾à °¡ 2 Â÷´ÙÇ×½ÄÀ̶ó¸é
(11)
¶ó°í ³ªÅ¸³¾ ¼ö ÀÖ´Ù. ¿©±â¿¡¼
ÀÌ µÈ´Ù.
Á¤»ç¿ÀÂ÷¿¡ ´ëÇÑ °¡Á¤ ÇÏ¿¡¼ ÇÔ¼ö ¸¦ (4) ÀÇ Æò±ÕÁ¦°ö±Ù¿ÀÂ÷¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇϵµ·Ï ¼±ÅÃÇÑ´Ù.
ÀΠƯº°ÇÑ °æ¿ì¸¦ »ý°¢Çغ¸ÀÚ.
(12)
ÀÌ°í »ó¼ö Àº
(13)
À» ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â °ÍÀ¸·Î ¼±ÅÃÇÑ´Ù. À» ÃÖ¼ÒÈÇÏ´Â Á¡
˼
À» ¸¸Á·ÇÒ °ÍÀÌ´Ù. ¿¡ ´ëÇÏ¿© 3 °³ÀÇ ¹æÁ¤½ÄÀÌ À¯µµµÇ´Âµ¥
°£´ÜÈ÷ Çϸé
(14)
À» ¾ò´Â´Ù. À̰͵éÀº 3 °³ÀÇ ¹ÌÁö¼ö ¿¡ ´ëÇÑ 3 °³ÀÇ ¼±Çü¹æÁ¤½ÄÀÌ´Ù.
¿¹Á¦ ½Ä (11) ¿¡ ÀÖ´Â
À̰ÍÀº |
°¡ (10) ¿¡¼ ÁÖ¾îÁø ÀϹÝÇüÀ» ÃëÇÒ ¶§ (4) ÀÇ Æò±ÕÁ¦°ö±Ù¿ÀÂ÷ E ¸¦ ÃÖ¼ÒÈÇϱâ
À§Çؼ´Â ´ÙÀ½ÀÇ ¼±Çü°è°¡
(16)
´Â °è¼ö À» °áÁ¤ÇÑ´Ù. ÀÌ ½ÄÀ» À¯µµÇÏ´Â °úÁ¤Àº ¹®Á¦ 5 ¿¡¼ ´Ù·é´Ù.
°¡ Â÷¼ö
ÀÇ ´ÙÇ×½ÄÀΠƯº°ÇÑ °æ¿ì´Â ¸Å¿ì Áß¿äÇÑ °æ¿ìÀÌ´Ù. ±×°ÍÀ» Á»´õ ÀÚ¼¼È÷ °üÂûÇØº¸°íÀÚ
ÇÑ´Ù.
¸¦ Â÷¼ö
´ÙÇ×½ÄÀÇ ±âº»ÇüÀ¸·Î ½áº¸ÀÚ.
(17)
±×·¯¸é ÀÌ ½ÄÀº
(18)
ÀÏ ¶§ (10) ÀÇ Çü°ú ´ëÀÀµÇ°í ¸¦ °áÁ¤ÇÏ´Â °è (16) ´Â
(19)
°¡ µÈ´Ù. ÀÏ ¶§ À̰ÍÀº °è (15) °¡ µÈ´Ù.
°è (19) ´Â ÀÏ ¶§ ºñƯÀ̰èÀÌ´Ù. ±×·¯³ª ºÒÇàÈ÷µµ ±×°ÍÀº
ÀÇ Â÷¼ö°¡ Áõ°¡ÇÒ¼ö·Ï ±Þ°ÝÈ÷ ºÒ¾ÈÁ¤ÇÑ °è°¡ µÈ´Ù. °Ô´Ù°¡ °è¼öÇà·ÄÀÇ Á¶°Ç¼öÀÇ
Å©±â°¡ 2 º¸´Ù À۰ųª °°Àº °æ¿ì¸¦ Á¦¿ÜÇϰí ÃÖ¼ÒÀڽ´ÙÇ×½ÄÀ¸·Î ±Ù»çÇϱâ À§ÇØ (18)
À» ÀÌ¿ëÇÏ´Â °ÍÀº ±ÇÀåÇÒ ¸¸ÇÑ °ÍÀÌ ¸øµÈ´Ù.
³ôÀº Â÷¼ö¸¦ °¡Áø ´ÙÇ×½Ä ·Î µ¥ÀÌÅÍ
¿¡ ´ëÇÑ ÃÖ¼ÒÀÚ½ÂÀ» ±¸Çϱâ À§ÇØ ´ÙÀ½ÀÇ ÇüÅ·Î
¸¦ Ç¥ÇöÇÒ Çʿ䰡 ÀÖ´Ù.
(20)
¿©±â¼ ´Â (16) ¿¡ ÀÖ´Â °è¼öÇà·ÄÀÌ ºÒ¾ÈÁ¤ÇÏÁö ¾Êµµ·Ï Àß ¼±ÅõǾîÁ®¾ß ÇÑ´Ù.
ÀÇ Â÷¼ö´Â
À̰í (16) ÀÇ °è¼öÇà·ÄÀÌ ´ë°¢Çà·Ä·Î µÇ´Â ÇÔ¼ö
¸¦ ÃÖÀûÀ¸·Î ¼±ÅÃÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. ÃÖÀûÀÇ ¼±ÅÃÀº ¾Æ´Ï´õ¶óµµ ÀϹÝÀûÀ¸·Î ¸¸Á·½º·¯¿î
¼±ÅÃÀº 6 ÀåÀÇ Chebyshev ´ÙÇ×½Ä
¿¡ ±Ù°ÅÇÑ °ÍÀÌ´Ù (Á¶±Ý ´õ ³ªÀº ¼±ÅÃÀº Legendre ´ÙÇ×½ÄÀÌ´Ù. Atkinson 1989,
P210 À» º¸¾Æ¶ó).
°áÀýÁ¡ À» ±¸°£
¿¡¼ ¼±ÅÃÇÏ¿´´Ù¸é ´ÙÀ½°ú °°ÀÌ º¯ÇüµÈ Chebyshev ´ÙÇ×½ÄÀ» »ý°¢ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
(21)
ÀÇ Â÷¼ö´Â
À̰í Â÷¼ö
ÀÎ ´ÙÇ×½Ä
˼
ÀÇ °áÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³¾ ¼ö ÀÖ´Ù.
¿¹Á¦ Ç¥ 2 ¿¡ ÀÖ´Â µ¥ÀÌÅÍ¿Í ±×¸² 3 ¿¡ ÀÖ´Â ±×¸²À»
°íÂûÇØ º¸ÀÚ. ¿ì¼± ´ÙÀ½À» ÀÌ¿ëÇÏ¿© ÃÖ¼ÒÀڽ 3 Â÷ ´ÙÇ×½Ä
¸¦ °®°í °¡ µÈ´Ù.
À¸·Î °è»êµÉ ¼ö ÀÖ´Ù. À̰ÍÀº ¸Å¿ì Å« ¼öÀÌ´Ù.
¶Ç, Ç¥ 2 3 Â÷ ÃÖ¼ÒÀڽ¹ýÀ» À§ÇÑ µ¥ÀÌÅÍ
±×¸² 3 Ç¥ 2 ÀÇ µ¥ÀÌÅÍ ±×·¡ÇÁ µ¥ÀÌÅÍ¿¡¼ÀÇ ¿ÀÂ÷·Î ÀÎÇØ ¼Ò¼öÁ¡ÀÌÇÏ 2 °ÀÚ¸®¿¡¼
À̰ÍÀº Àü¿¡ ±¸Çß´ø Ç¥ 2 ÀÇ µ¥ÀÌÅÍ¿¡ ´ëÇØ ´õ ³ªÀº ¼±Çü°è¸¦ °¡Áø 3 Â÷ ÃÖ¼ÒÀڽ ±Ù»ç°ªÀ» ±¸Çϱâ À§ÇØ ±¸°£ [0, 1]¿¡¼ (21) ÀÇ ÇÔ¼ö¸¦ »ç¿ëÇÑ´Ù. ±×¸®°í
À» ¾´´Ù. (24) ¿¡¼
±×¸² 4 Ç¥ 2 ¿¡ ´ëÇÑ 3 Â÷ÃÖ¼ÒÀÚ½Â±Ù»ç °¡ µÈ´Ù. ¼±Çü°è´Â (22) ¸¦ »ç¿ëÇÏ¿© 3 Â÷Ãּҽ¹ýÀ»
ÀÌ¿ëÇÒ ¶§
ÀÌ µÊÀ» º¼ ¼ö ÀÖ´Ù. |