PDF문서lecture3.pdf

닫기

background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Robot Learning

3. Numerical Method-Regression

Jeong-Yean Yang

2020/10/22

1


background image

T&C LAB-AI

Regression( or Fitting Problem)

Linear Problem

4

2


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression

• The Most Important Issue in the field of Learnings.
• What is Regression?

– Simply, Curve fitting.
– Goal: find the best Curve or Line.

• In other words, Regression is in the filed of Optimization

3

* Important

All samples CANNOT 

satisfy the one Line!!!

It is an Optimal Problem


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression Types

4

-1

0

1

2

3

4

5

6

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Blue:Sample, Red:Estimated line

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Linear

Linear

Non Linear

Non Linear

Non Linear

Stochastic


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Linear Regression

• Samples are given S={(x1,y1), (x2,y2),…, (xN,yN)}

• Goal: Find the a and b for minimizing Error

5

(xi, yi) 

Red line: 

y=ax+b

Knowns: (x1,y1),….(xN,yN)

Unknowns: a, b  Our goal!!


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Linear Regression

Minimize Error Function

• Definition of J

– Error function or Cost function

• J is often the SUM of Squared Error (Least Square)

2

2

2

||

||

||

(

) ||

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

J

e

y

y

y

ax

b

2

Distance :

||

||

i

y

y

N=3

X1 = (x1,y1)=(1,2)

X2 = (x2,y2)=(2,3)

X3 = (x3,y3)=(2,2)

3

2

2

2

2

||

(

) ||

(2 (

))

(3 (2

))

(2 (2

))

( , )

i

i

i

J

y

ax

b

a b

a b

a b

J a b

 

 

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

How to Find the Minimum?

( in detailed ways later)

• 1. Differentiation

• 2. Iterative Method

– More than thousands of methods exist.
– Ex) Gradient Descent Method.

7

2

2

||

||

||

(

) ||

( , )

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

b

J a b

When 

0 and 

0,  J has minima or maxima.

J

J

a

b

Example)

2

(

1) ,   y'=2(x-1)=0   

 x=1 , y has minimum

y

x

when

1

n

n

x

x

J

 

 

Why we use Iterative Method in many applications 

such as NN?


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Linear Regression Solution

8

2

2

||

||

||

(

) ||

( , )

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

b

J a b

2

2

2

1

2

2

(

)

(

)

(

)

...

(

)

2(

)

(

)

2(

)(

)

(

)

2(

)(0

)

2(

)(0

)

2(

)(

)

0

N

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

y

y

y

y

y

y

a

a

y

y

y

y

y

y

y

y

y

y

a

a

a

a

ax

b

y

y

y

y

y

J

y

y

x

a

a

a

2

(

)

2(

)

(

)

(

)

2(

)(0

)

2(

)(0

)

2(

)( 1)

0

N

N

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

y

y

y

y

y

y

b

b

ax

b

y

y

y

y

y

y

y

J

b

b

b

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Linear Regression Solution

• Test 5.m

9

2(

)(

)

2(

)(

)

0

(1)

2(

)( 1)

0

1

(2)

1

N

N

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

y

y

x

y

ax

b

x

a

x x

b

x

x y

y

ax

b

a

x

b

y

x x

x

x y

a

b

x

y

  

 

  

 

 

 

 

Oops,

It is Linear!

Matrix calculation 

is O.K.


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Simple Example Test5. 

10

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

Blue:Sample, Red:Estimated line

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x x

x

x y

a

b

x

y

 

 

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Many Samples : Test6.m

11

-1

0

1

2

3

4

5

6

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Blue:Sample, Red:Estimated line

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x x

x

x y

a

b

x

y

 

 

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Linear regression l2regline

ex/ml/l2regline

import l2regline

l2regline.test()

12

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x x

x

x y

a

b

x

y

 

 

 

2

2

||

||

||

(

) ||

( , )

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

b

J a b


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Question

• Regression works very well with Matrix Operation

• Well, How about the Curve?

13

How we 

do fitting 

with 

Curves?

(or Linear algebra)


background image

T&C LAB-AI

Regression( or Fitting Problem)

Non-Linear Problem

4

14


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Question:

Curves are all Non Linear?

• Straight Line is Linear

• Some curves are Non Linear

• But, other curves are Linear.

• Let’s Answer 

Which Curves are  Nonlinear..

15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

-1

0

1

2

3

4

5

6

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Blue:Sample, Red:Estimated line


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression with       

16

2

y

ax

b

Generate data 

with Gen1.m

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

350

400


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression Model

17

2

2

2

2

2

2

4

2

2

2

||

||

(

b)

2

(

b)(

)

0

2

(

b)( 1)

0

1

N

N

i

i

i

i

i

N

i

i

i

i

N

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

J

y

ax

x

a

J

y

ax

b

a

x

b

x

y x

a

x

b

y

 

 

4

2

2

2

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x

x

y x

a

b

x

y

 

 

 

Matrix Operation 

is O.K.


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Test 7

18

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Blue:Sample, Red:Estimated line


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression with       

19

2

(

)

y

a x b

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

50

100

150

200

250

300

Generate data 

with Gen2.m


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Regression Model

20

2

2 2

2

2

2

||

||

(

(

) )

2

(

(

) )( (

) )

0

2

(

(

) )(2 (

))

0

N

N

i

i

i

i

i

N

i

i

i

i

N

i

i

i

i

J

y

y

y

a x

b

J

y

a x

b

x

b

a

J

y

a x

b

a x

b

b

2

2

2

(

(

) )( (

) )

( , )

0

(

(

) )(2 (

))

( , )

0

N

i

i

i

i

N

i

i

i

i

y

a x

b

x

b

f a b

y

a x

b

a x

b

g a b

Non Linear 

Equation

N-R Eq


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Questions:

What is the Key Point?

That is Linear or Not.

• Don’t take it the wrong way owing to Curve types

• Linear Regression,

21

2

2

||

||

||

(

) ||

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

b

2

2

2

||

||

(

b)

N

N

i

i

i

i

i

J

y

y

y

ax

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x x

x

x y

a

b

x

y

 

 

 

4

2

2

2

1

N

N

N

i

i

i

i

i

i

i

N

N

N

i

i

i

i

i

x

x

y x

a

b

x

y

 

 

 

y

ax b

2

y

ax

b

2

()

y

ax

b

a

b

Linear

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Definition of Linearity

• Scalar Multiplication

• Additivity

* Remind that

22

 

,     

 

 

if v

L it also satisfies

v

L

1

2

1

2

 

 and 

,

   

 

 

if v

L

v

L

then it also satisfies

v

v

L

2

(

)

([]

)

[]

It is NOT Linear!

y

a x b

a

b

a

ab

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

Back To pp.19

This Regression has Nonlinear Equations

• How to solve it?
1.

23

2

2

2

(

(

) )( (

) )

( , )

0

(

(

) )(2 (

))

( , )

0

N

i

i

i

i

N

i

i

i

i

y

a x

b

x

b

f a b

y

a x

b

a x

b

g a b

2

||

||

( , )

0,

( , )

0

N

i

i

J

y

y

J

J

f a b

g a b

a

b

Nonlinear Newton-

Raphson in pp. 19

1

1

1

ˆ

ˆ

ˆ

(

)

0

( )

ˆ

             

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

k

k

k

F x

h

F x

Jh

h

J F

x

x

h

x

J F

 

  

 

2

(

)

y

a x b


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

• How to solve it?
2. Optimization

For example, Gradient Descent Method (GDM)

24

2

2 2

1

||

||

(

(

) )

N

N

i

i

i

i

i

n

n

J

y

y

y

a x

b

a

w

b

w

w

J

 

  

 

 

2

2 2

2

2

2

||

||

(

(

) )

i

j

2

(

(

) )( (

) ) i

2

(

(

) )(2 (

)) j

N

N

i

i

i

i

i

N

N

i

i

i

i

i

i

i

i

J

y

y

y

a x

b

J

J

J

a

b

y

a x

b

x

b

y

a x

b

a x

b

 

 

 

 


background image

T&C LAB-AI

Dept. of Intelligent Robot Eng. MU

Robotics

How to Find the Minimum?

• 1. Differentiation (Linear Equation)

• 2. Iterative Method (Non-Linear Equation)

– More than thousands of methods exist.
– Ex) Gradient Descent Method.

25

2

2

1

2

3

||

||

||

(

) ||

( , )

(

,

,

,....

)

N

N

i

i

i

i

i

N

J

y

y

y

ax

b

J a b

J

J w w w

w

1

2

3

 

0,  

0,  

0,... 

0

     

 

,  

 

N

J

J

J

J

w

w

w

w

if it is linear eqs then Aw

b

1

n

n

x

x

J

 

 