Orinary Least Square는 다음과 같은 최소화 문제임.
$$\underset{\textbf{x}}{\text{argmin}}\|\textbf{b}-A\textbf{x}\|_2^2$$
$\|\textbf{b}-A\textbf{x}\|_2^2$를 전개하면 다음과 같음.
$$\begin{aligned}\|\textbf{b}-A\textbf{x}\|_2^2&=(\textbf{b}-A\textbf{x})^T(\textbf{b}-A\textbf{x})\\
&=(\textbf{b}^T-\textbf{x}^TA^T)(\textbf{b}-A\textbf{x})\\
&=\textbf{b}^T\textbf{b}-\textbf{x}^TA^T\textbf{b}-\textbf{b}^TA\textbf{x}+\textbf{x}^TA^TA\textbf{x}\\
\end{aligned}$$
OLS는 다음을 참고
2022.04.28 - [.../Math] - Ordinary Least Squares : OLS, 최소자승법
denominator layout으로 전개한 글은 다음을 참고
2022.04.28 - [.../Math] - Normal Equation : Vector derivative를 이용한 유도
필요한 Vector Calculus 공식(?)은 다음과 같음. (Numerator Layout임)
- $\frac{\partial A\textbf{x}}{\partial \textbf{x}} = A$
- $\frac{\partial \textbf{x}^TA}{\partial \textbf{x}} = A^T$
- $\frac{\partial \textbf{x}^TS\textbf{x}}{\partial \textbf{x}} = \textbf{x}^TS$
기본적인 Transpose 공식(?)은 다음과 같음.
- $(\textbf{x}^T\textbf{b})^T=\textbf{b}^T\textbf{x}$
- $(A^T\textbf{x})^T=\textbf{x}^TA$
최소값에서 1st order derivative는 0 인 점을 이용하여 위 식에서 solution $\hat{\textbf{x}}$를 구함.
$$\begin{aligned} \frac{\partial \|\textbf{b}-A\hat{\textbf{x}}\|_2^2}{\partial\hat{\textbf{x}}}&= \frac{\partial (\textbf{b}^T\textbf{b}-\hat{\textbf{x}}^TA^T\textbf{b}-\textbf{b}^TA\hat{\textbf{x}}+\hat{\textbf{x}}^TA^TA\hat{\textbf{x}}) }{\partial \hat{\textbf{x}}} \\
&=-(A^T\textbf{b})^T-\textbf{b}^TA+2\hat{\textbf{x}}^TA^TA\\
&=0 \end{aligned}$$
이를 정리하면 solution $\hat{\textbf{x}}$에 대한 closed-form expression을 얻음.
$$\begin{aligned}
2\hat{\textbf{x}}^TA^TA&=(A^T\textbf{b})^T+\textbf{b}^TA\\
2(\hat{\textbf{x}}^TA^TA)^T&=\left[ (A^T\textbf{b})^T +\textbf{b}^TA \right]^T \\
2A^TA\hat{\textbf{x}}&=\left[ \textbf{b}^TA +\textbf{b}^TA \right]^T \\
2A^TA\hat{\textbf{x}}&=\left[ 2\textbf{b}^TA \right]^T \\
2A^TA\hat{\textbf{x}}&=2A^T\textbf{b}\\
A^TA\hat{\textbf{x}}&=A^T\textbf{b}\\
\hat{\textbf{x}}&=(A^TA)^{-1}A^T\textbf{b} \\
\end{aligned}$$
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