앙상블 모델 – 배깅 Bagging

기계학습 부류. 분류(classification) 또는 예측(prediction)에서 여러 모델을 합쳐서 더 좋은 결과를 얻는 방법을 앙상블(Ensemble) 모델이라고 합니다.  앙상블 기법은 배깅(Bagging), 부스팅(Boosting), 스태킹(Stacking) 3종류로 나눌 수 있습니다. 
이 포스트에서는 우선 배깅(Bagging)에 대해서 설명합니다.

앙상블 모델을 배울때 보통 Bagging과 Boosting을 알게 되고 그 다음 Stacking을 생각하게 됩니다. 순서는 중요하지 않지만 기법들이 생각보다 많이  다르고 복잡함의 종류도 다릅니다. 그래서 한꺼번에 설명하기 어렵습니다.

앙상블 모델은 보통은 지도학습(supervised learning)에 사용됩니다. 군집화나 학습데이터가 없는 아웃라이어 감지(outlier detection), 어노멀리 감지(anomaly detection), 클러스터링(clustering) 같은 것에는 쓰기 어렵습니다.

비지도학습(unsupervised learning)에도 앙상블을 할 수 있다고 하는데 실제로 사례를 본적은 없습니다.

배깅 Bagging

배깅은 모델을 병렬로 연결해서 취합하는 방법입니다.
예를들어 결정트리(Decision Tree; 분류 나무)와 같은 알고리즘을 병렬로 연결한다고 하면 여러 개의 트리를 만들어서 결과를 취합합니다.  결합할 때는 다수결(Majority vote)를 쓸 수도있고 가중치(Weighted Majority Vote)를 쓸 수 있는데 기본으로는 다수결을 쓴다고 알려져 있습니다.

배깅의 대표적으로 알려진 알고리즘은 Leo Brieman이 만든 그 유명한 랜덤포레스트(Random Forest)가 있습니다. 이름이 랜덤포레스트인 이유도 배깅과 관련이 있기 때문입니다. 랜덤요소를 이용해 트리를 여러 개 만들고 합쳐서 숲을 만듭니다.

앙상블에서 모델을 몇 개를 결합할지는 보통 초매개변수(Hyper parameter)로 만드는 사람에 의해서 정해지게 됩니다. 결정트리를 앙상블로 결합하는 경우는 보통 100개 이상입니다.

배깅을 조금 구체적으로 설명하면 데이터로 입력값을 주면 Y 또는 N를 알려주는 트리모델을 결합해서 배깅으로 앙상블시키려고 하면 가지고 있는 학습데이터로 100개의 트리 모델을 만들고 실제로 판별에 사용할 때 입력을 100개의 트리모델에 주고 각 트리들이 Y과 N을 각각 던져 주면 그 중 많은 것을 답으로 취하는 방식입니다.  물론 이것은 아주 간단한 예이고 더 복잡하게도 변형이 가능합니다.

그런데 한뭉치의 학습데이터로 모델을 여러 개를 만든다고 했는데 어떻게 여러 개를 만드느냐가 의문입니다.
100개의 결정트리를 만들려면 학습데이터를 100등분해서 각각 만들면 되지 않을까라고 생각하겠지만 그렇게 나눌 양이 되지 않는 경우가 많고 학습 데이터가 부족해서 10묶음 교차검증(10 Fold Cross Validation)같은 것 까지 하는 판국에 학습데이터를 잘게 쪼개서 모델을 만들 여유가 없게 됩니다.
지도학습에서는 학습데이터의 양이 항상 문제입니다. 언제나 부족하다고 느껴집니다. 사회과학이나 의료같은 문제에서는 대량의 학습데이터를 얻기 어려운 경우가 많으니까요.  이미지 인식같은 종류의 자연과학 데이터로 부터 문제를 해결하는 딥러닝하고는 입장이 많이 다릅니다. 100등분을 해서 나눌 여유도 없고 그렇게 나누면 각각의 모형들이 편향이 생기거나 분산이 커질 여지가 많습니다.
그래서 학습데이터를 분할해서 모델을 각각 만든다는 것이 다소 비현실적인 경우가 많습니다. (다 그런것은 아닙니다)

적은 데이터로 모델을 여러개 만드는 방법은 배깅이라는 명칭을 풀어보면 알 수 있습니다.

배깅이라는 단어는 영어사전에서 찾을 수 있는 단어는 아니고 부트스트랩 어그리게이팅 Bootstrap AGGregING의 약어 입니다.

풀어서 보면 부트스트랩(Bootstrap)은 샘플을 다시 샘플링하는 것을 부트스트래핑(Bootstraping)이라고 하고 어그리게이팅은 그냥 취합한다는 뜻입니다.  즉 부트스트래핑 기법으로 학습데이터를 뻥튀기하는 효과로 여러개의 트리를 만드는데 사용하고 그 결과들을 취합합니다. 그것을 배깅이라고 부릅니다.

부트스트래핑은 통계학의 샘플링에서 매우 중요하게 다루는 개념 중 하나입니다. 어렵고 내용이 길어지므로 설명은 다음기회에 해보겠습니다.

부트스트래핑(뻥튀기)을 조금 더 쉽게 설명하면
10000개의 레코드로 된 데이터세트가 있다고 가정합니다.
10000개의 레코드를 10000번 복원추출(resampling)을 합니다. 그러면 갯수는 똑같이 10000개가 됩니다. 다시 이 과정을 반복해서 100번을 해서 10000개 짜리 데이터세트를 100개를 만들고 이 것으로 각 모델들을 만듭니다. 그러면 100개의 조금씩 다른 모델을 만들 수 있습니다.

“10000개에서 10000개를 표본추출(샘플링)하면 똑같은 것 아닌가?”
라고 생각할 수 있습니다.  또
“똑같은 것 100개를 만들어서 각각 모델을 만들면 다 똑같은 것 아닌가?”
라고 생각할 수 있습니다.
복원추출을 했기 때문에 안 똑같습니다.
복원추출은 영어로 리샘플(Resample)이라고 합니다. 가지고 있는 학습데이터가 모집단으로 부터 표본추출한 데이터라고 볼 수 있습니다. 즉 모집단에 대한 샘플데이터입니다.  
표본추출한 것을 데이터 갯수 만큼 복원추출을 다시 하게 되면 어떤 것은 같은 것이 중복해서 뽑히고 어떤것은 아예 뽑히지 않게 됩니다.  이것이 배깅의 효과인데 이게 무슨짓인가 싶겠지만 이렇게 표본을 다시 복원추출하면 원래 모집단의 특성을 더 잘 반영되도록 재구성되는 경향이 있다고 알려져 있습니다. (중심극한정리와 비슷해 보이지만 다른 것입니다)

이 특성을 이용해서 조금씩 다른 모델들을 만들고 그것들의 결과를 취합하는 것입니다. 
“데이터가 전부 비슷하니 결과도 별차이가 없겠네”
라고 생각할 수 있겠지만 데이터가 빼곡해지는 효과가 있고 조금씩 다른 모델들이 투표를 하는 방식이므로 배깅으로 만들어진 앙상블 모델은 결과들에 대한 편차가 크지 않고 안정적인 결과를 보여지도록 향상됩니다.
학습데이터가 원래 편향이 있다면 그로 인한 편향문제까지는 해결하지는 못하지만 미지의 데이터(Unseen data)에 상당히 괜찮은 성능을 보이고 노이즈나 아웃라이어에 대해서도 강해지는 것으로 알려져 있습니다.
실제로 단순한 트리모형과 랜덤포레스트 모델을 만들고 비교를 해보면 차이를 알 수 있겠습니다.

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