[빅데이터분석] 신경망 (Neural Networks) 분석 : 뇌의 동작을 모방한 학습 기법

 

1. 개요

 

안닝하세요! 이번 포스팅에서는 머신러닝의 주요 학습 기법 중 하나인 신경망 (Neural Networks) 분석에 대해 소개하고자 합니다. 그럼 신경망 분석의 개념, 장단점, 알고리즘 처리 절차, 데이터 분석 절차, 실제 적용 사례, 그리고 파이썬 예제 코드를 알아보겠습니다.

 

 

2. 신경망 분석(Neural Networks) 개념 및 장단점

 

신경망 분석 개념

 

신경망은 인간의 뇌를 모방하여 개발된 머신러닝 알고리즘으로, 인공신경망(Artificial Neural Networks, ANN)이라고도 불립니다. 뇌의 신경세포, 즉 뉴런의 동작 방식을 본따 여러 계층으로 구성되며, 이 계층들 사이에서 데이터와 그에 상응하는 가중치가 전달되면서 학습이 이루어집니다.

 

 1. 장점

 

1) 비선형 문제를 다룰 수 있습니다.

2) 매우 복잡한 문제와 대량의 데이터를 처리할 수 있습니다.

3) 딥러닝의 기반이 됩니다.

 

 2. 단점

 

1) 학습 시간이 길고, 많은 계산 자원을 필요로 합니다.

2) 가중치 초기화, 학습률 등 하이퍼파라미터의 설정에 따라 성능에 큰 차이가 있을 수 있습니다.

3) 내부 동작 방식이 복잡하여 결과를 해석하기 어렵습니다 (블랙박스 문제).

 

3. 신경망( Neural Networks) 알고리즘 처리 절차

 

[Step 1] 입력 계층(Input Layer), 은닉 계층(Hidden Layer), 출력 계층(Output Layer)으로 이루어진 네트워크 구조를 만듭니다.

[Step 2] 각 연결에 무작위로 가중치를 부여하여 초기화합니다.

[Step 3] 입력 데이터를 네트워크에 투입하고, 각 계층의 뉴런을 통해 전달하면서 가중치를 적용합니다. (순전파)

[Step 4] 출력 계층에서 얻은 결과와 실제 값의 차이를 계산하여 오차를 구합니다.

[Step 5] 이 오차를 다시 거꾸로 전파하면서 각 연결의 가중치를 조정합니다. (역전파)

[Step 6] 이 과정을 반복하면서 네트워크를 학습시킵니다.

 

4. 신경망 분석(Neural Networks) 데이터 분석 절차

 

[Step 1] 문제 정의 - 어떤 종류의 문제를 해결하려고 하는지 정의합니다 (분류, 회귀, 클러스터링 등).

[Step 2] 데이터 수집 - 문제 해결에 필요한 데이터를 수집합니다.

[Step 3] 데이터 전처리 - 누락된 값 처리, 표준화, 정규화 등을 통해 데이터를 분석에 적합하게 만듭니다.

[Step 4] 모델 구성 - 신경망의 계층 수, 뉴런 수, 활성화 함수 등을 설정하여 모델을 구성합니다.

[Step 5] 모델 학습 - 학습 데이터를 이용하여 신경망을 학습시킵니다.

[Step 6] 모델 평가 및 튜닝 - 검증 데이터로 모델의 성능을 평가하고, 필요하다면 하이퍼파라미터를 조정하여 튜닝합니다.

 

5. 신경망 분석(Neural Networks) 분석 적용 사례

 

신경망은 이미지 분류, 자연어 처리, 음성 인식, 추천 시스템 등 매우 다양한 분야에서 사용됩니다. 구글 번역기, 애플의 시리, 아마존의 알렉사 등은 신경망 기반의 딥러닝 기술을 활용하고 있습니다.

 

 

6. 신경망 분석(Neural Networks) 분석 파이썬 예제 코드

아래는 sklearn 라이브러리를 이용한 인공신경망분석 파이썬 예제 코드입니다.  sklearn MLPClassifier를 사용하여 분류 문제 해결 예제입니다.

 

신경망 분석 파이썬 예제 코드

 

7. 마치며

 

신경망은 그 구조와 동작 원리가 인간의 뇌를 본뜬 탓에 초기에는 그 해석이 어려웠지만, 최근에는 이를 이해하고 해석하는 방법들이 연구되고 있습니다. 또한, 신경망을 바탕으로 한 딥러닝 기술은 이미지, 음성, 텍스트 등 다양한 데이터를 처리하는 데 있어서 기존의 머신러닝 기법을 뛰어넘는 성능을 보여주며 AI 분야의 주요 기술로 자리매김하고 있습니다.

 

신경망 분석 외에도 데이터 분석에 사용되는 주요 분석 알고리즘에 대해 정리한 아래 포스팅도 참고 부탁드립니다.

[데이터분석] 데이터분석에 사용되는 주요 분석 알고리즘

 

 

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