Chapter 13

회귀 분석

계측 장비를 새로 들이면 먼저 두께를 아는 표준 시료 몇 장을 재어 본다. 기준값과 측정값을 산점도에 찍으면 점들이 대략 직선을 따른다. 이 직선, 곧 검량선을 정하면 다음부터는 측정값만 보고 참값을 거꾸로 읽을 수 있다. 그런데 점들이 정확히 한 줄에 서 있지 않으니 직선은 무수히 많이 그을 수 있다. 어느 직선이 가장 좋을까? 아래 그림에서 흰 원 두 개를 끌어 직선을 움직여 보자. 빨간 정사각형은 점마다 직선에서 벗어난 세로 거리(잔차)를 한 변으로 하는 정사각형이고, 정사각형 넓이의 합이 작을수록 직선이 자료에 잘 맞는다. 이 합을 가장 작게 만드는 직선이 최소 제곱 직선이다. 이 장에서는 최소 제곱 직선을 구하고, 그 직선이 얼마나 믿을 만한지 구간과 검정으로 따지고, 새 측정값을 예측하거나 거꾸로 읽을 때의 불확실성을 띠로 그린다. 이어서 잔차로 모형을 진단하고, 설명 변수가 여럿인 다중 회귀와 곡선 회귀, 합격·불합격처럼 두 값만 갖는 반응을 다루는 로지스틱 회귀로 넓혀 간다.

흰 원을 끌어 직선을 움직인다 · 위 단추로 최소 제곱 직선 비교

최소 제곱 직선과 잔차

한 변수의 값으로 다른 변수의 값을 설명하거나 예측하는 식을 자료로 세우는 일을 회귀 분석(regression analysis)이라 한다. 예측하려는 변수 \(y\)를 반응 변수(response variable), 예측에 쓰는 변수 \(x\)를 설명 변수(explanatory variable, 예측 변수·회귀 변수)라 한다. 증착 시간 \(x\)로 막두께 \(y\)를, 표준 시료의 도즈 \(x\)로 SIMS 신호 \(y\)를, 장비 센서 값으로 막두께를 예측하는 일이 모두 회귀다. 1장에서 상관 계수로 두 변수가 함께 움직이는 정도를 숫자 하나로 요약했고, 6장에서 이변량 정규 분포의 조건부 평균 \(E[Y\mid X = x]\)가 \(x\)의 직선임을 보았다. 이 장은 그 직선을 자료에서 추정한다.

자료 \((x_1, y_1), \dots, (x_n, y_n)\)에 직선 \(\hat y = a + bx\)를 그었다고 하자. 점 \(i\)에서 직선이 내놓는 값 \(\hat y_i = a + bx_i\)를 적합값(fitted value), 관측값과 적합값의 차이 \(e_i = y_i - \hat y_i\)를 잔차(residual)라 한다. 잔차는 세로 방향 거리다. \(x\)는 실험자가 정한 값(증착 시간, 표준 시료의 기준값)이라 정확하다고 보고, 흔들리는 것은 \(y\)뿐이라고 보기 때문이다.

x (설명 변수)y (반응 변수) (xᵢ, yᵢ) eᵢ = yᵢ − ŷᵢ (xᵢ, ŷᵢ) 직교 거리(쓰지 않음) ŷ = a + bx 잔차는 세로 거리 eᵢ = yᵢ − ŷᵢ (관측 − 적합) 최소 제곱: Σ eᵢ² 이 가장 작은 직선 x는 정확히 정해 두고 y에만 오차가 있다고 본다 (검량선: 표준 시료 값은 안다)
잔차는 관측점에서 직선까지의 세로 거리다. 점에서 직선에 수선을 내린 직교 거리(점선)는 \(x\)에도 오차가 있을 때 쓰는 총 최소 제곱의 기준이고, 보통의 회귀에서는 쓰지 않는다.

좋은 직선은 잔차가 전체적으로 작은 직선이다. 잔차를 그냥 더하면 양수와 음수가 상쇄되므로 제곱해서 더한 잔차 제곱합(sum of squared errors, SSE)을 쓴다.

$$\mathrm{SSE}(a, b) = \sum_{i=1}^n e_i^2 = \sum_{i=1}^n \big(y_i - a - bx_i\big)^2$$
SSE를 가장 작게 만드는 \(a, b\)를 찾는 방법을 최소 제곱법(method of least squares)이라 하고, 그렇게 얻은 직선을 최소 제곱 직선 또는 회귀 직선이라 한다. 머리 그림의 빨간 정사각형 넓이 합이 바로 SSE다.

먼저 손으로 해 보자. 아래 과제에서는 자료가 매번 바뀐다. 흰 원 두 개를 끌어 직선을 맞춘 뒤 판정을 누르면 최소 제곱 직선이 나타나고, 내 직선의 SSE가 최솟값의 몇 배인지 나온다. 최솟값보다 5% 이내로 크면 성공이다.

SIMULATOR

과녁 맞히기: 손으로 회귀선 긋기

흰 원 두 개를 위아래로 끈다
내 SSE—
최소 SSE—
비율—
성공 / 판정0 / 0
해볼 것: ① 정사각형을 끄고 눈대중으로만 맞춰 보자. 대부분의 사람은 점들의 "가운데"를 지나게 긋지만, 기울기를 너무 완만하게 잡는 경향이 있다. ② 정사각형을 켜면 큰 정사각형 하나가 전체를 좌우한다는 것이 보인다. 잔차를 제곱하므로 멀리 떨어진 점의 목소리가 크다. ③ 성공한 직선은 언제나 점 \((\bar x, \bar y)\)(십자 표시) 근처를 지난다. 왜 그런지 아래 정규 방정식에서 확인한다.

정규 방정식

SSE는 \(a\)와 \(b\)의 2차식이라 그릇 모양이고, 바닥에서 두 편미분이 모두 0이다. 두 조건을 정리한 연립 방정식을 정규 방정식(normal equations)이라 한다.

SSE(a, b) = Σ (yᵢ − a − b xᵢ)² ∂SSE/∂a = −2 Σ (yᵢ − a − b xᵢ) = 0 ⇒ Σ eᵢ = 0 ⇒ ȳ = a + b x̄ 직선은 반드시 평균점 (x̄, ȳ)을 지난다 ∂SSE/∂b = −2 Σ xᵢ (yᵢ − a − b xᵢ) = 0 ⇒ Σ xᵢ eᵢ = 0 잔차는 x와 상관이 없다 b = Sxy / Sxx a = ȳ − b x̄ Sxx = Σ(xᵢ − x̄)² Sxy = Σ(xᵢ − x̄)(yᵢ − ȳ)
  1. 잔차 제곱합은 \(a\)와 \(b\)의 2차 함수다. 최솟점에서는 두 편미분이 0이다.
  2. \(a\)로 미분하면 잔차의 합이 0이어야 한다. 이를 \(n\)으로 나누면 \(\bar y = a + b\bar x\), 곧 최소 제곱 직선은 평균점을 지난다.
  3. \(b\)로 미분하면 \(\sum x_ie_i = 0\)이다. 첫 조건과 합치면 \(\sum(x_i - \bar x)e_i = 0\), 잔차와 \(x\)의 표본 공분산이 0이다.
  4. 첫 식에서 \(a = \bar y - b\bar x\)를 둘째 식에 넣어 풀면 \(b = S_{xy}/S_{xx}\)이다.
정규 방정식의 두 조건. 직선이 평균점을 지나고, 남은 잔차에는 \(x\)로 더 설명할 몫이 없다.
$$b = \frac{S_{xy}}{S_{xx}} = \frac{\sum (x_i - \bar x)(y_i - \bar y)}{\sum (x_i - \bar x)^2} = \frac{\sum x_iy_i - n\bar x\bar y}{\sum x_i^2 - n\bar x^2},\qquad a = \bar y - b\bar x$$
손 계산에서는 오른쪽의 합 공식이 편하다. \(S_{yy} = \sum(y_i - \bar y)^2\)도 함께 정의해 둔다. 기울기 \(b\)는 \(x\)가 한 단위 커질 때 \(y\)의 평균 변화량, 절편 \(a\)는 \(x = 0\)에서의 적합값이다. 자료 범위가 \(x = 0\)에서 멀면 절편은 해석할 뜻이 없는 외삽 값이다.

요약 통계가 \(\bar x\) = 35, \(\bar y\) = 71.0, \(S_{xx}\) = 1750, \(S_{xy}\) = 3350이면 기울기 \(b\) = , 절편 \(a\) = 이고, \(x\) = 45에서 예측값은 이다. \(S_{xx}\)를 키우면(같은 공분산에서 \(x\)가 더 넓게 퍼지면) 기울기가 줄고, 직선은 언제나 \((\bar x, \bar y)\)를 지난다.

SSE를 \((a, b)\) 평면 위의 지형으로 그려 보면 정규 방정식이 무엇을 하는지 눈에 보인다. 왼쪽 지도에서 흰 원(현재 직선)을 끌면 오른쪽 자료 위의 직선이 따라 움직인다. 경사 하강을 누르면 지형의 비탈을 따라 한 걸음씩 내려간다.

SIMULATOR

잔차 제곱합의 지형

흰 원을 끈다
절편의 기준
현재 (절편, 기울기)—
SSE—
SSE / 최소—
하강 걸음 수0
진한 곳일수록 SSE가 작다. 해볼 것: ① "x = 0에서"로 둔 채 경사 하강을 돌리면 길쭉하게 기운 골짜기를 따라 지그재그로 느리게 내려간다. 절편과 기울기가 서로 얽혀 있다(기울기를 키우면 절편을 줄여야 한다). ② "x = x̄에서"로 바꿔 절편을 평균점에서 재면(\(a' = a + b\bar x\)) 등고선이 축에 나란한 타원이 되고, 몇 걸음 만에 바닥에 닿는다. ③ 골짜기 바닥이 정규 방정식의 해다. 미분이 0인 곳이라 경사 화살표가 사라진다.

시뮬레이터의 둘째 결과는 실무에서도 쓸모가 있다. 설명 변수를 평균에서 뺀 \(x - \bar x\)로 회귀하면 절편 추정값 \(\bar y\)와 기울기 추정값이 서로 상관이 없어진다. 다중 회귀와 다항 회귀에서 변수를 중심화하는 이유가 여기에 있다.

정규 방정식의 두 조건은 잔차의 성질로 바로 확인할 수 있다. 아래 점들을 아무렇게나 끌어 보자.

점을 끈다
MINI LAB점 여섯 개와 최소 제곱 직선. 점을 어디로 끌어도 잔차의 합 \(\sum e_i\)와 \(\sum x_ie_i\)는 0이고, 직선은 평균점(십자)을 지난다. 양의 잔차(초록)와 음의 잔차(빨강) 막대 길이의 합이 언제나 같다.

CVD 장비에서 증착 시간 \(x\)(s)를 바꾸며 막두께 \(y\)(nm)를 재었다: (10, 23.1), (20, 41.8), (30, 62.5), (40, 79.9), (50, 101.4), (60, 118.2). 최소 제곱 직선을 구하고 45 s 증착 때의 막두께를 예측하라.

풀이 보기
전략 합 \(\sum x, \sum y, \sum x^2, \sum xy\)로 \(S_{xx}, S_{xy}\)를 구한다.
풀이 \(n = 6\), \(\sum x = 210\), \(\sum y = 426.9\), \(\sum x^2 = 9100\), \(\sum xy = 18300\). \(\bar x = 35\), \(\bar y = 71.15\). \(S_{xx} = 9100 - 6(35)^2 = 1750\), \(S_{xy} = 18300 - 6(35)(71.15) = 3358.5\). \(b = 3358.5/1750 = 1.9191\) nm/s, \(a = 71.15 - 1.9191\times35 = 3.98\) nm. \(\hat y(45) = 3.98 + 1.9191\times45 = 90.34\) nm.
\(\hat y = 3.98 + 1.919x\) (nm), 45 s에서 약 90.3 nm
검토 증착 속도는 약 1.92 nm/s다. 절편 3.98 nm는 시간 0에서도 막이 있다는 뜻이 아니라, 초기 핵 생성 지연이나 자연 산화막처럼 직선 모형이 0 근처에서 맞지 않는 부분을 흡수한 값으로 읽는다. 잔차는 −0.07, −0.56, 0.95, −0.85, 1.46, −0.93이고 합이 0이다.

결정 계수와 상관

최소 제곱 직선은 어떤 자료에든 그을 수 있다. 직선이 자료를 얼마나 잘 설명하는지 재려면, 직선이 없을 때와 비교한다. \(x\)를 모르면 \(y\)의 최선의 예측은 평균 \(\bar y\)이고, 그때의 오차 제곱합은 \(S_{yy}\)다. 이것을 전체 제곱합 SST라 한다. 직선을 쓰면 오차 제곱합이 SSE로 줄어든다. 각 점에서 편차를 두 조각으로 나누면 다음 항등식이 성립한다.

ȳ (평균) ŷ = a + bx yᵢ − ȳ yᵢ − ŷᵢ (잔차) ŷᵢ − ȳ (설명됨) SST = SSR + SSE Σ(yᵢ − ȳ)² 전체 변동 = Σ(ŷᵢ − ȳ)² 설명된 변동 + Σ(yᵢ − ŷᵢ)² 남은 변동 R² = SSR / SST
제곱합의 분해. 점 하나의 편차 \(y_i - \bar y\)가 직선이 설명한 몫 \(\hat y_i - \bar y\)(초록)와 남은 잔차 \(y_i - \hat y_i\)(빨강)로 나뉜다. 제곱해 더하면 교차항이 정규 방정식 때문에 0이 되어 \(\mathrm{SST} = \mathrm{SSR} + \mathrm{SSE}\)가 성립한다.
$$\underbrace{\sum(y_i - \bar y)^2}_{\mathrm{SST}} = \underbrace{\sum(\hat y_i - \bar y)^2}_{\mathrm{SSR}} + \underbrace{\sum(y_i - \hat y_i)^2}_{\mathrm{SSE}},\qquad R^2 = \frac{\mathrm{SSR}}{\mathrm{SST}} = 1 - \frac{\mathrm{SSE}}{\mathrm{SST}}$$
\(R^2\)를 결정 계수(coefficient of determination)라 한다. \(y\)의 변동 가운데 \(x\)와의 직선 관계로 설명되는 비율이고 0과 1 사이에 있다. 단순 회귀에서는 \(\mathrm{SSR} = b^2S_{xx} = S_{xy}^2/S_{xx}\)이므로 \(R^2 = S_{xy}^2/(S_{xx}S_{yy}) = r^2\), 곧 표본 상관 계수의 제곱이다.
SIMULATOR

설명된 변동과 남은 변동

점을 끈다
R²—
r—
추정 기울기 b—
s = √(SSE/(n−2))—
왼쪽은 자료와 회귀 직선(자주), 평균선 \(\bar y\)(점선)이다. 오른쪽 막대는 SST를 SSR(초록)과 SSE(빨강)로 나눈다. 해볼 것: ① 잡음 σ를 키우면 SSE 몫이 커져 \(R^2\)가 준다. 기울기는 그대로인데도 그렇다. ② 기울기를 0으로 두면 \(R^2\)는 0 근처지만 정확히 0은 아니다. 표본에서는 우연히 생긴 기울기가 조금 설명한다. ③ 점 하나를 멀리 위로 끌면 SST와 SSE가 함께 커진다. \(R^2\)는 이상값 하나에 크게 흔들린다.

\(R^2\)는 편리하지만 오해도 많다. \(R^2\)가 높다고 직선 모형이 옳은 것은 아니고(곡선 자료에서도 0.9가 나온다), 낮다고 관계가 없는 것도 아니다(관계가 확실해도 잡음이 크면 낮다). \(x\)의 범위를 넓게 잡으면 같은 관계에서도 \(R^2\)가 커진다. 그래서 \(R^2\)와 함께 잔차 표준 편차 \(s = \sqrt{\mathrm{SSE}/(n-2)}\)를 보고한다. \(s\)는 직선 둘레의 전형적인 흩어짐을 \(y\)의 단위로 말해 준다.

기울기와 상관 계수, 그리고 평균으로의 회귀

\(b = S_{xy}/S_{xx}\)와 \(r = S_{xy}/\sqrt{S_{xx}S_{yy}}\)를 비교하면 \(b = r\,s_y/s_x\)이다. 표준화한 변수 \(z_x = (x - \bar x)/s_x\), \(z_y = (y - \bar y)/s_y\)로 쓰면 회귀 직선은 \(\hat z_y = r\,z_x\)가 된다. \(|r| < 1\)이므로 \(x\)가 평균에서 1 표준 편차 떨어져 있어도 예측한 \(y\)는 평균에서 \(r\) 표준 편차만 떨어진다. 예측값이 평균 쪽으로 당겨지는 이 현상을 평균으로의 회귀(regression to the mean)라 한다. "회귀"라는 이름은 골턴이 키 큰 부모의 자녀가 부모보다 평균에 가깝다는 것을 발견한 데서 왔다.

상관 계수 \(r\) = 0.80, \(s_x\) = 2.0, \(s_y\) = 5.0이면 기울기는 \(b = r s_y/s_x\) = 이고 \(R^2\) = , 곧 \(y\) 변동의 는 설명되지 않고 남는다. \(x\)가 평균보다 2 표준 편차 크면 예측한 \(y\)는 평균보다 표준 편차만 크다. 잔차 표준 편차는 대략 \(s_y\sqrt{1 - r^2}\) = 이다.

평균으로의 회귀는 반복 측정에서 자주 사람을 속인다. 웨이퍼마다 참 두께가 조금씩 다르고, 계측에는 측정 오차가 더해진다고 하자. 1차 측정에서 두께가 가장 두껍게 나온 웨이퍼들만 골라 다시 재면 어떻게 될까?

참 두께는 평균 100 nm, 표준 편차 2 nm로 흩어져 있고, 측정 오차의 표준 편차도 2 nm다. 1차 측정에서 상위 10%에 든 웨이퍼만 골라 공정을 바꾸지 않고 다시 재면, 2차 측정의 평균은?

1차에서 높게 나온 웨이퍼에는 참 두께가 두꺼운 것과 측정 오차가 양으로 나온 것이 섞여 있다. 2차 측정에서는 오차가 새로 뽑히므로 참 두께의 몫만 남는다. 두 측정의 상관은 \(\rho = \sigma_T^2/(\sigma_T^2 + \sigma_m^2) = 0.5\)이므로, 2차 평균은 1차 평균이 100에서 떨어진 거리의 절반만큼만 떨어진다. 공정을 고치지 않았는데도 "개선"된 것처럼 보인다.
SIMULATOR

다시 재면 평균으로 돌아온다

빨간 세로선을 끌어 선택 기준을 바꾼다
웨이퍼 뽑기
선택된 웨이퍼 / 전체—
선택군 1차 평균—
선택군 2차 평균—
이론 100 + ρ(1차 − 100)—
가로축은 1차 측정, 세로축은 같은 웨이퍼의 2차 측정이다. 점선은 \(y = x\)(두 측정이 같다면), 자주색 직선은 이론 회귀선 \(E[M_2\mid M_1] = 100 + \rho(M_1 - 100)\)이다. 해볼 것: ① 측정 오차를 0.2로 줄이면 \(\rho \to 1\)이라 회귀가 거의 사라진다. 좋은 계측기는 평균으로의 회귀를 줄인다. ② 오차를 4로 키우면 선택군의 2차 평균이 100 근처로 거의 다 돌아온다. ③ 빨간 선을 왼쪽 아래로 옮겨 가장 얇게 나온 웨이퍼를 골라도 같은 일이 반대 방향으로 일어난다.
"가장 나빴던 장비를 고쳤더니 좋아졌다"

지난주 수율이 가장 낮았던 장비 다섯 대에 조치를 하고 이번 주에 보니 수율이 올랐다. 조치 효과일 수도 있지만 상당 부분은 평균으로의 회귀일 수 있다. 가장 나쁘게 나온 장비에는 운 나쁜 주간이 섞여 있기 때문이다. 효과를 확인하려면 조치하지 않은 비교군(대조군)을 함께 보아야 한다. 14장의 실험 계획이 이 문제를 다룬다.

회귀 직선은 방향이 있다. \(y\)를 \(x\)로 회귀한 직선과 \(x\)를 \(y\)로 회귀한 직선은 상관이 완벽하지 않으면 서로 다르다. 둘 다 평균으로 당기기 때문이다.

MINI LAB표준화한 두 변수 300쌍. 초록 직선은 \(y\)를 \(x\)로 회귀(\(\hat z_y = r z_x\)), 자주 직선은 \(x\)를 \(y\)로 회귀(\(\hat z_x = r z_y\), 이 좌표에서 기울기 \(1/r\)), 점선은 두 표준 편차를 잇는 SD 직선(기울기 1)이다. 상관이 약할수록 두 회귀 직선이 SD 직선에서 양쪽으로 벌어진다. 검량선에서 \(x\)(기준값)로 \(y\)를 회귀한 다음 역으로 푸는 이유가 여기에 있다.

웨이퍼 10장에서 게이트 산화막 두께 \(x\)(Å)와 문턱 전압 \(y\)(mV)를 재어 \(\bar x = 20.0\), \(\bar y = 420\), \(S_{xx} = 12.5\), \(S_{yy} = 5200\), \(S_{xy} = 200\)을 얻었다. 회귀 직선, \(r\), \(R^2\), 잔차 표준 편차 \(s\)를 구하라.

풀이 보기
전략 \(b = S_{xy}/S_{xx}\), \(\mathrm{SSR} = S_{xy}^2/S_{xx}\), \(\mathrm{SSE} = S_{yy} - \mathrm{SSR}\).
풀이 \(b = 200/12.5 = 16\) mV/Å, \(a = 420 - 16\times20 = 100\) mV. \(r = 200/\sqrt{12.5\times5200} = 0.7845\), \(R^2 = 0.6154\). \(\mathrm{SSR} = 200^2/12.5 = 3200\), \(\mathrm{SSE} = 5200 - 3200 = 2000\), \(s^2 = 2000/8 = 250\), \(s = 15.8\) mV.
\(\hat y = 100 + 16x\), \(r = 0.784\), \(R^2 = 0.615\), \(s = 15.8\) mV
검토 \(V_{th}\) 변동의 약 62%가 산화막 두께로 설명되고, 나머지 38%는 도핑·게이트 길이 같은 다른 요인과 측정 잡음이다. 직선 둘레의 흩어짐 \(s = 15.8\) mV는 \(y\)의 표준 편차 \(\sqrt{5200/9} = 24.0\) mV보다 작다.

회귀 계수의 추론

지금까지는 자료에 직선을 맞추기만 했다. 같은 공정에서 표준 시료를 다시 재면 점들이 조금씩 달라지고 최소 제곱 직선도 달라진다. 그 흔들림을 따지려면 자료가 생기는 방식을 모형으로 세워야 한다. 단순 선형 회귀(simple linear regression) 모형은 다음과 같다.

$$Y_i = \beta_0 + \beta_1 x_i + \varepsilon_i,\qquad \varepsilon_i \stackrel{\text{iid}}{\sim} N(0, \sigma^2),\quad i = 1, \dots, n$$
\(\beta_0, \beta_1\)을 회귀 계수(regression coefficients)라 한다. \(x_i\)는 정해진 상수, 오차 \(\varepsilon_i\)는 서로 독립이고 평균 0, 분산이 \(x\)와 관계없이 \(\sigma^2\)로 같으며 정규 분포를 따른다고 가정한다. 그러면 \(E[Y\mid x] = \beta_0 + \beta_1x\)가 참 회귀 직선이고, 최소 제곱 추정값 \(a, b\)는 \(\hat\beta_0, \hat\beta_1\)이 된다.

\(\hat\beta_1 = S_{xY}/S_{xx} = \sum c_iY_i\)(\(c_i = (x_i - \bar x)/S_{xx}\))는 정규 확률 변수들의 선형 결합이므로 정규 분포를 따른다. 6장의 선형 결합 공식으로 평균과 분산을 구하면 다음과 같다.

$$E[\hat\beta_1] = \beta_1,\quad \operatorname{Var}(\hat\beta_1) = \frac{\sigma^2}{S_{xx}},\qquad E[\hat\beta_0] = \beta_0,\quad \operatorname{Var}(\hat\beta_0) = \sigma^2\Big(\frac1n + \frac{\bar x^2}{S_{xx}}\Big)$$
\(\sigma^2\)은 잔차로 추정한다: \(s^2 = \mathrm{SSE}/(n-2)\). 직선을 정하느라 모수 두 개를 추정했으므로 자유도가 \(n - 2\)다. \(s^2\)은 \(\sigma^2\)의 불편 추정량이며 회귀의 평균 제곱 오차(MSE)라고도 부른다. 표준 오차는 \(\mathrm{SE}(\hat\beta_1) = s/\sqrt{S_{xx}}\)이다.

기울기의 분산이 \(\sigma^2/S_{xx}\)라는 것은 설계에 대한 조언이기도 하다. \(x\)를 넓게 퍼뜨릴수록 기울기가 정확해진다. 직접 확인하기 전에 예측해 보자.

표준 시료 10개를 \(x = 0\)부터 10까지 고르게 놓던 것을 \(x = 4\)부터 6까지로 좁혀 놓는다(개수와 측정 잡음은 그대로). 기울기 추정값의 표준 오차는 어떻게 될까?

\(S_{xx}\)는 \(x\) 범위의 제곱에 비례한다. 범위가 10에서 2로 1/5이 되면 \(S_{xx}\)는 1/25, 표준 오차 \(\sigma/\sqrt{S_{xx}}\)는 5배가 된다. 아래에서 "좁게"와 "넓게"를 바꾸며 직선 다발의 부채꼴 폭을 비교하자.
SIMULATOR

기울기의 표본 분포 쌓기

흰 원을 끌어 참 기울기를 바꾼다
β̂₁의 분포
x 배치
자료 다시 뽑기
반복 횟수—
β̂₁ 평균 (참값)—
β̂₁ 표준 편차 (이론 σ/√Sxx)—
95% 구간이 β₁ 포함—
H₀: β₁ = 0 기각률—
왼쪽은 참 직선(자주)과 최근 자료로 맞춘 직선 다발(초록), 오른쪽은 쌓인 \(\hat\beta_1\)의 히스토그램과 이론 분포 \(N(\beta_1, \sigma^2/S_{xx})\)(자주)이다. 해볼 것: ① 1000번 뽑으면 히스토그램의 중심이 참 기울기에 오고(불편), 폭이 이론 표준 오차와 맞는다. 직선 다발은 평균점 근처에서 가장 좁은 나비넥타이 모양이다. ② "좁게"로 바꾸면 폭이 5배로 넓어진다. ③ 흰 원을 끌어 참 기울기를 0으로 만들면 기각률이 약 5%(제1종 오류율)로, 0에서 멀어지면 100% 쪽(검정력)으로 간다. 포함률은 어느 경우든 약 95%다.

\(\sigma\) 대신 \(s\)를 쓰면 표준화한 기울기는 자유도 \(n-2\)인 t 분포를 따른다. 10장의 신뢰 구간과 11장의 t 검정이 그대로 적용된다.

$$T = \frac{\hat\beta_1 - \beta_1}{s/\sqrt{S_{xx}}} \sim t_{n-2},\qquad \hat\beta_1 \pm t_{\alpha/2,\,n-2}\,\frac{s}{\sqrt{S_{xx}}},\qquad H_0: \beta_1 = 0 \text{ 검정 통계량 } t_0 = \frac{\hat\beta_1}{s/\sqrt{S_{xx}}}$$
\(H_0: \beta_1 = 0\)은 "\(x\)와 \(y\) 사이에 직선 관계가 없다"는 가설이다. 기각하지 못하면 관계가 없다는 뜻이 아니라, 이 자료로는 기울기를 0과 구별할 만큼 정확히 재지 못했다는 뜻이다. 절편도 \(\hat\beta_0 \pm t_{\alpha/2,n-2}\,s\sqrt{1/n + \bar x^2/S_{xx}}\)로 구간을 만든다. 장비 측정값이 기준값과 일치하는지(\(H_0: \beta_1 = 1\)) 검정할 때는 \(t_0 = (\hat\beta_1 - 1)/\mathrm{SE}\)를 쓴다.

기울기 추정값 \(\hat\beta_1\) = 0.42, 표준 오차 0.18, 표본 크기 \(n\) = 20이면 \(t_0\) = (자유도 ), 양측 p 값은 이고 95% 신뢰 구간은 이다.

표준 오차가 \(\sigma/\sqrt{S_{xx}}\)라는 것을 손으로 확인해 보자. 아래에서 표준 시료를 놓을 위치 \(x\)를 끌어 옮기면 기울기의 표준 오차가 바뀐다.

아래 흰 원을 좌우로 끈다
MINI LAB측정 잡음 \(\sigma = 1\)일 때 표준 시료 6개의 위치에 따른 기울기 표준 오차. 부채꼴은 평균점을 지나며 기울기가 \(\beta_1 \pm 2\,\mathrm{SE}\)인 직선들이다. 양 끝에 몰면 표준 오차가 가장 작지만, 가운데 점이 없으면 직선이 맞는지(곡률이 있는지) 확인할 수 없다. 실무 검량선은 양 끝에 무게를 두되 가운데에도 몇 점을 둔다.

분산 분석표

회귀의 유의성은 제곱합 분해로도 검정한다. 각 제곱합을 자유도로 나눈 평균 제곱의 비가 F 통계량이다. \(H_0: \beta_1 = 0\)이 참이면 \(F\)는 \(F_{1,n-2}\) 분포를 따른다. 단순 회귀에서는 \(F = t_0^2\)이어서 양측 t 검정과 결과가 같다. 다중 회귀에서는 F 검정이 "설명 변수 가운데 하나라도 쓸모가 있는가"를 묻는다(14장의 분산 분석과 같은 구조).

요인제곱합자유도평균 제곱F
회귀SSR1MSR = SSR/1MSR/MSE
잔차SSEn − 2MSE = s²
전체SSTn − 1
예(산화막–문턱 전압 자료): SSR 3200, SSE 2000(자유도 8, MSE 250), SST 5200, F = 12.8, p = 0.0072

앞 예제의 산화막–문턱 전압 자료(\(n = 10\), \(b = 16\) mV/Å, \(s = 15.81\) mV, \(S_{xx} = 12.5\))에서 기울기의 95% 신뢰 구간을 구하고, 유의 수준 0.05에서 \(H_0: \beta_1 = 0\)을 검정하라.

풀이 보기
전략 \(\mathrm{SE} = s/\sqrt{S_{xx}}\), 자유도 8의 t 분위수 \(t_{0.025,8} = 2.306\).
풀이 \(\mathrm{SE} = 15.81/\sqrt{12.5} = 4.472\). 구간: \(16 \pm 2.306\times4.472 = 16 \pm 10.31\), 곧 \((5.69, 26.31)\) mV/Å. 검정: \(t_0 = 16/4.472 = 3.578\), \(|t_0| > 2.306\)이므로 기각. 양측 p 값은 \(2P(T_8 > 3.578) = 0.0072\). 분산 분석표의 \(F = 3200/250 = 12.8 = 3.578^2\)과 같은 결론이다.
95% 구간 \((5.69, 26.3)\) mV/Å, \(t_0 = 3.58\), p = 0.0072 → 기울기는 0이 아니다
검토 구간이 0을 포함하지 않는 것과 검정의 기각은 같은 정보다. 다만 구간 폭이 넓어(약 6에서 26) 기울기의 크기는 아직 거칠게만 안다. 산화막 두께를 더 넓은 범위로 실험하면 \(S_{xx}\)가 커져 구간이 좁아진다.

신뢰 띠와 예측 띠

회귀 직선을 쓰는 목적은 대개 어떤 \(x_0\)에서 \(y\)를 말하는 것이다. 그런데 질문이 두 가지다. "증착 시간 45 s에서 막두께의 평균은 얼마인가?"와 "다음에 45 s로 증착할 웨이퍼 한 장의 막두께는 얼마인가?"이다. 점추정값은 둘 다 \(\hat y_0 = \hat\beta_0 + \hat\beta_1x_0\)으로 같지만 불확실성이 다르다. 앞의 것은 직선 위치의 불확실성만 있고, 뒤의 것에는 웨이퍼 한 장의 산포 \(\sigma\)가 더해진다.

$$\text{평균 반응의 신뢰 구간: } \hat y_0 \pm t_{\alpha/2,n-2}\; s\sqrt{\frac1n + \frac{(x_0 - \bar x)^2}{S_{xx}}}\qquad \text{새 관측의 예측 구간: } \hat y_0 \pm t_{\alpha/2,n-2}\; s\sqrt{1 + \frac1n + \frac{(x_0 - \bar x)^2}{S_{xx}}}$$
\(x_0\)을 움직이며 구간의 끝을 이으면 쌍곡선 모양의 띠가 된다. 앞의 것을 신뢰 띠(confidence band), 뒤의 것을 예측 띠(prediction band)라 한다. 엄밀히 말하면 여기서 그리는 것은 각 \(x_0\)마다의 점별 구간을 이은 것이다(모든 \(x\)에서 동시에 95%를 보장하는 셰페 띠는 조금 더 넓다).
x̄ 높이 ȳ의 불확실성: 폭 일정 (σ²/n) 기울기의 불확실성: x̄를 축으로 흔들림 폭 ∝ |x − x̄| (σ²(x − x̄)²/Sxx) 신뢰 띠: 두 몫의 합 → x̄에서 가장 좁다 예측 띠: 새 웨이퍼 한 장의 산포 σ²를 더함
  1. \(\hat y_0 = \bar y + \hat\beta_1(x_0 - \bar x)\)이다. 첫째 항 \(\bar y\)의 분산 \(\sigma^2/n\)은 직선 전체를 위아래로 평행 이동시킨다.
  2. 둘째 항은 기울기의 오차가 \(\bar x\)를 축으로 직선을 돌리는 몫이다. 분산은 \(\sigma^2(x_0 - \bar x)^2/S_{xx}\)로, \(\bar x\)에서 멀수록 커진다. \(\bar y\)와 \(\hat\beta_1\)은 서로 독립이다.
  3. 두 분산을 더하면 \(\operatorname{Var}(\hat y_0) = \sigma^2[1/n + (x_0 - \bar x)^2/S_{xx}]\)이다. 띠는 \(\bar x\)에서 가장 좁고 양쪽으로 쌍곡선처럼 벌어진다.
  4. 새 관측 \(Y_0 = \beta_0 + \beta_1x_0 + \varepsilon_0\)은 직선 추정의 오차에 자신의 오차 \(\varepsilon_0\)(분산 \(\sigma^2\))가 더해진다. 그래서 예측 띠의 분산은 \(\sigma^2[1 + 1/n + (x_0 - \bar x)^2/S_{xx}]\)이다.
신뢰 띠와 예측 띠의 구성. 자료를 늘리면 신뢰 띠는 0으로 좁아지지만, 예측 띠는 \(\pm z_{\alpha/2}\sigma\)보다 좁아지지 않는다.

표준 시료를 아주 많이(\(n \to \infty\)) 재어 검량선을 만든다. \(x = \bar x\)에서 새 측정값 하나의 95% 예측 구간 폭은 어떻게 될까?

\(1/n\)과 \((x_0 - \bar x)^2/S_{xx}\)는 0으로 가고 \(t \to z\)이지만 \(1\)은 남는다. 직선은 완벽히 알아도 새 웨이퍼 한 장은 여전히 \(\sigma\)만큼 흔들린다. 아래 시뮬레이터에서 두 띠의 폭을 비교하자.
SIMULATOR

신뢰 띠와 예측 띠

흰 원을 좌우로 끌어 x₀을 옮긴다
신뢰 수준
x₀ (도즈)—
ŷ₀—
신뢰 구간—
예측 구간—
x̄ 대비 신뢰 폭—
이온 주입 표준 시료 8개(도즈 1–8 ×10¹⁴ cm⁻²)의 SIMS 적분 신호(×10³ counts)로 만든 검량선이다. 해볼 것: ① \(x_0\)을 \(\bar x = 4.5\)에 두면 두 띠가 가장 좁다. ② \(x_0\)을 표준 시료 범위 밖(10 이상)으로 끌면 신뢰 띠가 빠르게 넓어지고 "외삽" 경고가 뜬다. 게다가 띠의 계산은 직선 모형이 범위 밖에서도 맞는다고 가정한 것이다. ③ 새 측정 20개를 찍어 보자. 예측 띠 안에 대략 19개가 들어오지만, 신뢰 띠 안에는 훨씬 적게 들어온다. 신뢰 띠는 개별 측정값이 아니라 평균의 범위다.

예측 구간이 정말 95%의 새 관측을 담는지는 반복 실험으로 확인할 수 있다. 검량선 실험 전체와 새 측정 하나를 한 묶음으로 수없이 되풀이한다.

MINI LAB참 직선에서 표준 시료 8개를 새로 재어 검량선을 만들고, \(x_0 = 7\)에서 신뢰 구간(굵은 막대)과 예측 구간(가는 막대), 그리고 새 측정 하나(점)를 그린다. 신뢰 구간이 참 평균(자주 선)을 놓치거나 예측 구간이 새 측정을 놓치면 빨간색이다. 두 포함률이 모두 95% 근처로 간다. 같은 95%지만 묻는 대상이 다르다.

검량선을 거꾸로 읽기

계측에서는 검량선을 거꾸로 쓴다. 표준 시료로 \(y = a + bx\)를 세운 다음, 도즈를 모르는 시료의 신호 \(y_0\)을 재어 \(\hat x_0 = (y_0 - a)/b\)로 도즈를 읽는다. 이것을 역추정(inverse prediction, calibration)이라 한다. 같은 시료를 \(m\)번 반복 측정해 평균 \(\bar y_0\)을 쓰면, 델타 방법으로 얻은 근사 구간은 다음과 같다.

$$\hat x_0 = \frac{\bar y_0 - a}{b},\qquad \hat x_0 \pm \frac{t_{\alpha/2,n-2}\,s}{|b|}\sqrt{\frac1m + \frac1n + \frac{(\bar y_0 - \bar y)^2}{b^2S_{xx}}}$$
그림으로 보면 높이 \(\bar y_0\)인 수평선이 예측 띠와 만나는 두 점의 \(x\) 좌표가 구간의 양 끝이다. 기울기 \(|b|\)가 클수록(감도가 높을수록) 같은 신호 잡음이 \(x\)로 옮겨질 때 작아진다. 기울기가 0에 가까우면 구간이 터진다. 정확한 방법(피엘러 구간)은 기울기의 불확실성이 클 때 이 근사보다 넓다.
SIMULATOR

과녁 맞히기: 가장 싸게 ±5% 역추정

왼쪽 흰 원을 위아래로 끌어 측정 신호를 바꾼다
추정 도즈 x̂₀—
95% 구간—
상대 반폭—
총 측정 n + m—
최소 성공 비용—
목표: 도즈 4.5 근처의 미지 시료를 상대 반폭 5% 이내로 읽되, 표준 시료와 반복 측정을 합한 측정 횟수를 가장 적게 쓴다. 표준 시료는 도즈 1–8에 고르게 놓이고, 측정 잡음은 \(\sigma = 0.5\)로 맞춘 모의 자료다. 해볼 것: ① \(n\)만 늘리거나 \(m\)만 늘리면 한계가 있다. \(1/m\)과 \(1/n\) 가운데 큰 쪽이 폭을 정한다. ② \(n = 3\)이면 자유도 1의 \(t_{0.025,1} = 12.7\) 때문에 폭이 아주 넓다. ③ 신호를 표준 시료 범위의 끝 쪽으로 끌면 같은 \(n, m\)에서도 폭이 넓어진다.
SIMS 정량은 검량선이다 SIMS는 이차 이온의 개수를 셀 뿐 농도를 직접 주지 않는다. 도즈를 아는 이온 주입 표준 시료를 같은 조건으로 재어 신호와 농도의 비례 계수(상대 감도 인자, RSF)를 정하고, 미지 시료의 신호를 이 검량선으로 거꾸로 읽는다. 표준 시료의 도즈 범위 밖에서 읽으면 외삽이 되고, 기질 효과로 감도가 바뀌면 직선 자체가 달라진다. 엘립소미터나 4점 탐침도 기준 시료로 검량한다. → DopingBook · 계측(SIMS: 원자를 센다)

도즈 \(x\) = 1, 2, …, 8 (×10¹⁴ cm⁻²)인 표준 시료의 SIMS 신호 \(y\)(×10³ counts)가 3.5, 4.7, 8.1, 9.3, 13.2, 14.4, 17.3, 19.0이다. (가) 회귀 직선과 \(s\)를 구하라. (나) \(x_0 = 6\)에서 평균 신호의 95% 신뢰 구간과 새 측정의 95% 예측 구간을 구하라. (다) 미지 시료의 신호가 11.2일 때 도즈를 역추정하고 근사 95% 구간을 구하라.

풀이 보기
전략 \(S_{xx}, S_{xy}\)로 직선을 구하고, \(t_{0.025,6} = 2.447\)로 두 구간과 역추정 구간을 계산한다.
풀이 (가) \(\bar x = 4.5\), \(\bar y = 11.1875\), \(S_{xx} = 42\), \(S_{xy} = 97.15\). \(b = 2.3131\), \(a = 0.7786\). \(\mathrm{SSE} = 2.3316\), \(s^2 = 0.3886\), \(s = 0.6234\). (나) \(\hat y_0 = 0.7786 + 2.3131\times6 = 14.657\). \(\sqrt{1/8 + 2.25/42} = 0.4226\)이므로 신뢰 구간 반폭 \(= 2.447\times0.6234\times0.4226 = 0.645\) → \((14.01, 15.30)\). 예측 구간 반폭 \(= 2.447\times0.6234\times\sqrt{1.1786} = 1.656\) → \((13.00, 16.31)\). (다) \(\hat x_0 = (11.2 - 0.7786)/2.3131 = 4.505\). 반폭 \(= (2.447\times0.6234/2.3131)\sqrt{1 + 1/8 + (11.2 - 11.1875)^2/(2.3131^2\times42)} = 0.699\) → \((3.81, 5.20)\).
\(\hat y = 0.779 + 2.313x\), \(s = 0.623\); \(x_0 = 6\): 신뢰 \((14.01, 15.30)\), 예측 \((13.00, 16.31)\); \(\hat x_0 = 4.51\), 구간 \((3.81, 5.20)\)×10¹⁴ cm⁻²
검토 예측 구간이 신뢰 구간보다 약 2.6배 넓다. 역추정 반폭 0.70은 도즈의 ±16%로 너무 넓다. 같은 시료를 3번 재면 \(1/m = 1/3\)이 되어 반폭이 0.45(±10%)로 준다. 더 줄이려면 측정 잡음 자체를 줄이거나 표준 시료를 늘려야 한다.

잔차 진단과 영향점

앞 절의 구간과 검정은 모두 모형 가정 위에 서 있다: 평균이 \(x\)의 직선이고(선형성), 오차가 서로 독립이며(독립성), 분산이 일정하고(등분산성), 정규 분포를 따른다(정규성). 가정을 확인하는 가장 좋은 도구는 숫자가 아니라 그림이다. 다음 네 자료는 평균, 분산, 상관 계수, 회귀 직선이 소수 둘째 자리까지 모두 같다(앤스컴의 네 쌍둥이).

Ⅰ 정상 Ⅱ 곡률 Ⅲ 이상값 하나 Ⅳ 지렛점 하나
앤스컴의 네 자료. 모두 \(\bar x = 9\), \(\bar y = 7.50\), \(r = 0.816\), 회귀 직선 \(\hat y = 3.00 + 0.500x\)이다. Ⅰ만 직선 모형이 알맞다. Ⅱ는 곡선, Ⅲ은 이상값 하나가 직선을 끌어올렸고, Ⅳ는 점 하나가 기울기를 혼자 정한다. 요약 통계만 보고 회귀를 끝내면 안 되는 이유다.

잔차 \(e_i\)는 관측할 수 없는 오차 \(\varepsilon_i\)의 대리인이다. 가로축에 적합값 \(\hat y_i\)(또는 \(x_i\)), 세로축에 잔차를 찍은 잔차 그림에서 무늬가 없으면 좋은 신호다. 휘어진 무늬는 곡률(빠뜨린 항), 깔때기 무늬는 분산이 일정하지 않은 이분산성(heteroscedasticity), 홀로 떨어진 점은 이상값을 뜻한다. 시간 순서로 찍었을 때 이어진 무늬가 보이면 독립성이 깨진 것이다(장비 드리프트). 정규성은 잔차의 Q–Q 그림(12장)으로 본다.

잔차의 크기를 비교할 때는 잔차의 분산이 점마다 다르다는 것을 고려한다. \(\operatorname{Var}(e_i) = \sigma^2(1 - h_{ii})\)이므로 이것으로 나눈 스튜던트화 잔차(studentized residual) \(r_i = e_i/(s\sqrt{1 - h_{ii}})\)를 쓰고, \(|r_i| > 2\)(넉넉히 3)이면 살펴본다. 여기서 \(h_{ii}\)가 다음의 지렛값이다.

$$h_{ii} = \frac1n + \frac{(x_i - \bar x)^2}{S_{xx}},\qquad \sum_i h_{ii} = p,\qquad D_i = \frac{e_i^2}{p\,s^2}\cdot\frac{h_{ii}}{(1 - h_{ii})^2} = \frac{r_i^2}{p}\cdot\frac{h_{ii}}{1 - h_{ii}}$$
\(h_{ii}\)를 지렛값(leverage)이라 한다. \(x_i\)가 평균에서 멀수록 크고, 그 점이 자기 적합값을 얼마나 끌어당기는지를 잰다(\(\hat y_i = \sum_j h_{ij}y_j\)의 자기 가중치). \(p\)는 계수의 개수(단순 회귀에서 2)이고, 평균 지렛값은 \(p/n\)이다. \(h_{ii} > 2p/n\)이면 지렛값이 높다고 본다. \(D_i\)는 쿡의 거리(Cook's distance)로, 점 \(i\)를 뺐을 때 적합값 전체가 얼마나 바뀌는지를 잰다. 잔차와 지렛값이 둘 다 커야 크다. \(D_i > 1\)(작은 표본에서는 \(4/n\))이면 그 점이 결론을 좌우하는 영향점(influential point)이다.
SIMULATOR

잔차 그림 읽기

점을 끈다
스튜던트화 잔차 대 적합값
자료
R²—
최대 지렛값 (2p/n)—
최대 |스튜던트화 잔차|—
최대 쿡의 거리—
해볼 것: ① "곡률"에서 \(R^2\)는 높은데 잔차 그림은 U자를 그린다. \(R^2\)만 보면 놓친다. ② "깔때기"에서는 적합값이 클수록 잔차가 넓게 퍼진다. 이때 기울기 추정은 여전히 불편이지만 표준 오차와 예측 띠가 틀린다(로그 변환이나 가중 최소 제곱을 쓴다). ③ "지렛점"에서 오른쪽 끝 점을 위아래로 끌어 보자. 직선이 그 점을 따라 크게 돌고, 잔차는 오히려 작아 보인다. 지렛값이 큰 점은 직선을 제 쪽으로 끌어당겨 자기 잔차를 숨긴다. 쿡의 거리가 그 정체를 드러낸다.

자료 무리에서 오른쪽으로 멀리 떨어진 점 하나가 있다. 이 점이 다른 점들로 맞춘 직선 위에 정확히 놓여 있다면, 이 점은 영향점일까?

지렛값은 \(x\) 위치만으로 정해지는 잠재력이고, 영향은 그 잠재력이 실제로 쓰였는지다. 직선 위에 있는 먼 점은 오히려 기울기의 표준 오차를 줄여 주는 좋은 점이다. 아래에서 빨간 점을 끌어 지렛값과 쿡의 거리를 따로 보자.
빨간 점을 끈다
MINI LAB회색 점 10개와 빨간 점 하나. 초록 직선은 모든 점으로, 회색 점선은 빨간 점을 뺀 나머지로 맞춘 직선이다. 두 직선이 벌어진 정도가 쿡의 거리다. 빨간 점을 가로로 멀리 끌면 지렛값이 1에 다가가고, 그 상태에서 세로로 조금만 움직여도 직선이 크게 돈다.

\((x, y)\) = (1, 2.1), (2, 3.9), (3, 6.2), (4, 7.8), (5, 10.1), (12, 17.0)에 직선을 맞추었다. 마지막 점의 지렛값, 스튜던트화 잔차, 쿡의 거리를 구하고, 이 점을 뺀 직선과 비교하라.

풀이 보기
전략 \(h = 1/n + (x - \bar x)^2/S_{xx}\), \(r = e/(s\sqrt{1-h})\), \(D = (r^2/2)\,h/(1-h)\).
풀이 여섯 점 전체: \(\bar x = 4.5\), \(S_{xx} = 77.5\), \(S_{xy} = 102.25\), \(b = 1.3194\), \(a = 1.913\), \(\mathrm{SSE} = 5.271\), \(s = 1.148\). 마지막 점의 적합값 \(1.913 + 1.3194\times12 = 17.745\), 잔차 \(e = -0.745\). \(h = 1/6 + 56.25/77.5 = 0.8925\). \(r = -0.745/(1.148\sqrt{0.1075}) = -1.98\). \(D = (1.98^2/2)(0.8925/0.1075) = 16.3\). 이 점을 빼면 \(b = 1.990\), \(a = 0.05\), \(s = 0.189\)이다.
\(h = 0.893\), \(r = -1.98\), \(D = 16.3\) — 기울기를 1.99에서 1.32로 바꾼 강한 영향점
검토 잔차 −0.75만 보면 평범한 점처럼 보인다. 이 점이 직선을 제 쪽으로 끌어당겼기 때문이다. 지렛값 0.89는 기준 \(2p/n = 0.67\)을 크게 넘는다. 영향점을 찾으면 지우기 전에 원인을 확인한다(측정 오류인가, 이 범위에서 관계가 정말 휘는가). \(x = 6\)–11 사이에 시료를 더 두어야 결론을 낼 수 있다.
잔차 진단 순서

① 산점도로 모양을 본다. ② 잔차 대 적합값: 곡률과 깔때기. ③ 잔차 대 시간·로트·장비 순서: 드리프트와 자기 상관. ④ 정규 Q–Q 그림: 꼬리. ⑤ 지렛값과 쿡의 거리: 결론이 점 몇 개에 달려 있지 않은가. 문제가 보이면 변환(다음 절), 항 추가, 가중 최소 제곱, 강건 회귀를 검토한다.

다중 회귀와 행렬 표기

막두께는 증착 시간 하나로만 정해지지 않는다. 히터 온도, 가스 유량, 챔버 압력, RF 전력이 함께 영향을 준다. 설명 변수가 \(k\)개인 다중 회귀(multiple regression) 모형은 다음과 같다.

$$Y_i = \beta_0 + \beta_1x_{i1} + \beta_2x_{i2} + \cdots + \beta_kx_{ik} + \varepsilon_i,\qquad \varepsilon_i \stackrel{\text{iid}}{\sim} N(0, \sigma^2)$$
\(\beta_j\)는 다른 설명 변수를 고정했을 때 \(x_j\)가 한 단위 늘면 \(y\)의 평균이 변하는 양이다(편회귀 계수). 단순 회귀로 \(x_j\) 하나만 넣어 얻은 기울기와는 일반적으로 다르다. 다른 변수의 효과가 섞여 들어오기 때문이다. 계수가 \(p = k + 1\)개이므로 잔차의 자유도는 \(n - p\)다.

식이 길어지면 행렬로 쓰는 편이 낫다. 각 관측을 한 행으로 쌓은 행렬 \(X\)를 설계 행렬(design matrix)이라 한다. 첫 열은 절편을 위한 1이다.

y n×1 = 1x₁₁x₁₂ 1x₂₁x₂₂ ⋮⋮⋮ 1xₙ₁xₙ₂ X: n×p β p×1 + ε SSE(β) = (y − Xβ)ᵀ(y − Xβ) ∂SSE/∂β = −2Xᵀ(y − Xβ) = 0 ⇒ XᵀX β̂ = Xᵀy (정규 방정식) β̂ = (XᵀX)⁻¹ Xᵀy Cov(β̂) = σ² (XᵀX)⁻¹, s² = SSE/(n − p) ŷ = Hy, H = X(XᵀX)⁻¹Xᵀ H의 대각 원소 hᵢᵢ = 지렛값, Σ hᵢᵢ = p e = (I − H)y 는 X의 모든 열과 직교: Xᵀe = 0 y ŷ X의 열 공간
  1. 관측 \(n\)개를 쌓으면 \(\mathbf y = X\boldsymbol\beta + \boldsymbol\varepsilon\)이다. 설계 행렬 \(X\)의 첫 열은 1, 나머지 열은 설명 변수다.
  2. 잔차 제곱합을 벡터로 쓰고 \(\boldsymbol\beta\)로 미분해 0으로 놓으면 정규 방정식 \(X^{\mathsf T}X\hat{\boldsymbol\beta} = X^{\mathsf T}\mathbf y\)를 얻는다. 단순 회귀의 두 식이 바로 이것의 \(p = 2\)인 경우다.
  3. \(X^{\mathsf T}X\)의 역행렬이 있으면 \(\hat{\boldsymbol\beta} = (X^{\mathsf T}X)^{-1}X^{\mathsf T}\mathbf y\)이다. 계수들의 공분산 행렬은 \(\sigma^2(X^{\mathsf T}X)^{-1}\)이고, 그 대각 원소의 제곱근(\(\sigma\)를 \(s\)로 바꾼 것)이 각 계수의 표준 오차다.
  4. 적합값은 \(\hat{\mathbf y} = H\mathbf y\)이다. \(H\)는 \(\mathbf y\)를 \(X\)의 열들이 펼치는 평면에 수직으로 내리는 사영 행렬이라 모자 행렬(hat matrix)이라 부른다(\(\mathbf y\)에 모자를 씌운다). 잔차 벡터는 이 평면에 수직이다.
행렬로 쓴 최소 제곱. 최소 제곱은 관측 벡터를 모형이 만들 수 있는 벡터들의 공간에 사영하는 일이다.

설명 변수가 둘이면 회귀식은 \((x_1, x_2, y)\) 공간의 평면이다. 아래 시뮬레이터는 CVD 장비의 히터 온도 편차 \(x_1\)과 가스 유량 편차 \(x_2\)(둘 다 표준화)로 막두께를 설명한다. 캔버스를 끌면 돌려 볼 수 있다.

SIMULATOR

회귀 평면과 다중 공선성

끌어서 돌린다
β̂₁ ± SE (참 6)—
β̂₂ ± SE (참 4)—
VIF—
R² / 수정 R²—
참 모형은 \(y = 500 + 6x_1 + 4x_2 + \varepsilon\)(nm), \(n = 30\)이다. 자주색 격자가 추정한 평면, 빨간 막대가 잔차다. 해볼 것: ① \(\rho\)를 0.95 이상으로 올리면 점들이 \(x_1 = x_2\) 대각선 근처에 몰려 평면을 지탱하는 "다리"가 한 줄이 된다. 평면이 그 줄을 축으로 시소처럼 흔들려, 다시 뽑을 때마다 \(\hat\beta_1\)과 \(\hat\beta_2\)가 크게 바뀐다. ② 그래도 \(R^2\)는 거의 그대로다. 예측은 괜찮지만 각 변수의 효과를 나누어 말할 수 없다. ③ 표준 오차가 \(\sqrt{\mathrm{VIF}}\)배로 부푼다.

설명 변수끼리 강하게 상관된 상태를 다중 공선성(multicollinearity)이라 한다. \(x_j\)를 나머지 설명 변수로 회귀했을 때의 결정 계수를 \(R_j^2\)라 하면, 계수의 분산은 다른 변수가 없을 때보다 다음 배수만큼 커진다.

$$\operatorname{Var}(\hat\beta_j) = \frac{\sigma^2}{S_{x_jx_j}}\cdot\underbrace{\frac{1}{1 - R_j^2}}_{\mathrm{VIF}_j}$$
\(\mathrm{VIF}_j\)를 분산 팽창 인자(variance inflation factor)라 한다. 설명 변수가 둘이면 \(R_j^2 = r_{12}^2\)이다. VIF가 5–10을 넘으면 공선성이 심하다고 본다. 같은 물리량을 재는 센서 두 개(예: 히터 전력과 히터 온도)를 함께 넣으면 흔히 생긴다.
MINI LAB같은 설계(\(x_1, x_2\) 고정, \(n = 30\))에서 \(y\)만 다시 뽑아 얻은 \((\hat\beta_1, \hat\beta_2)\) 쌍을 점으로 쌓는다. 타원은 이론 공분산 \(\sigma^2(X^{\mathsf T}X)^{-1}\)의 2σ 타원이다. \(\rho\)가 클수록 구름이 왼쪽 위–오른쪽 아래로 길게 늘어난다. 두 추정값이 음의 상관(\(\approx -\rho\))을 가져 하나가 크게 나오면 다른 하나가 작게 나오는데, 합 \(\hat\beta_1 + \hat\beta_2\)(대각선 방향의 효과)는 여전히 정확하다.

센서 \(x_j\)를 나머지 센서들로 회귀한 결정 계수가 \(R_j^2\) = 0.900이면 \(\mathrm{VIF}_j\) = 이고, \(\hat\beta_j\)의 표준 오차는 공선성이 없을 때의 배다. 같은 정밀도를 얻으려면 표본이 배 필요하다.

다중 회귀에서도 \(R^2 = 1 - \mathrm{SSE}/\mathrm{SST}\)를 쓰지만, 설명 변수를 하나 더 넣으면 SSE는 줄거나 같으므로 \(R^2\)는 쓸모없는 변수에도 늘어난다. 그래서 자유도로 보정한 수정 결정 계수(adjusted R²)를 함께 본다.

$$R^2_{\text{adj}} = 1 - \frac{\mathrm{SSE}/(n - p)}{\mathrm{SST}/(n - 1)} = 1 - (1 - R^2)\frac{n - 1}{n - p},\qquad F = \frac{\mathrm{SSR}/k}{\mathrm{SSE}/(n - p)} \sim F_{k,\,n-p}\ \ (H_0: \beta_1 = \cdots = \beta_k = 0)$$
개별 계수는 \(t_j = \hat\beta_j/\mathrm{SE}(\hat\beta_j) \sim t_{n-p}\)로 검정한다. 전체 F 검정은 유의한데 개별 t 검정이 모두 유의하지 않다면 공선성을 의심한다.

CVD 온도 \(x_1\)과 압력 \(x_2\)를 −1(낮음), +1(높음)로 코딩한 네 조건과 중심점 하나에서 막두께(nm)를 재었다: \((x_1, x_2, y)\) = (−1, −1, 48), (1, −1, 56), (−1, 1, 52), (1, 1, 62), (0, 0, 55). \(X^{\mathsf T}X\), \(\hat{\boldsymbol\beta}\), \(s^2\), 각 계수의 표준 오차를 구하라.

풀이 보기
전략 설계 행렬의 열이 서로 직교하면 \(X^{\mathsf T}X\)가 대각 행렬이라 역행렬이 쉽다.
풀이 \(X\)의 열은 \((1,1,1,1,1)\), \((-1,1,-1,1,0)\), \((-1,-1,1,1,0)\)이다. \(X^{\mathsf T}X = \mathrm{diag}(5, 4, 4)\), \(X^{\mathsf T}\mathbf y = (273, 18, 10)^{\mathsf T}\). 따라서 \(\hat\beta_0 = 273/5 = 54.6\), \(\hat\beta_1 = 18/4 = 4.5\), \(\hat\beta_2 = 10/4 = 2.5\). 적합값은 47.6, 56.6, 52.6, 61.6, 54.6이고 잔차는 0.4, −0.6, −0.6, 0.4, 0.4이고 \(\mathrm{SSE} = 1.2\), \(s^2 = 1.2/(5-3) = 0.6\). \(\mathrm{SE}(\hat\beta_0) = \sqrt{0.6/5} = 0.346\), \(\mathrm{SE}(\hat\beta_1) = \mathrm{SE}(\hat\beta_2) = \sqrt{0.6/4} = 0.387\).
\(\hat y = 54.6 + 4.5x_1 + 2.5x_2\), \(s^2 = 0.6\), SE = 0.346, 0.387, 0.387
검토 직교 설계에서는 계수끼리 상관이 없고 VIF가 모두 1이다. \(t_1 = 4.5/0.387 = 11.6\), \(t_2 = 6.45\)로 자유도 2의 \(t_{0.025,2} = 4.303\)보다 크므로 두 효과 모두 유의하다. 14장의 \(2^k\) 요인 실험이 이 성질을 의도적으로 만든다.

가상 계측과 외삽

모든 웨이퍼를 계측하면 시간과 비용이 든다. 가상 계측(virtual metrology, VM)은 장비 센서 값(온도, 압력, 전력, 종점 신호)으로 회귀 모형을 세워 계측하지 않은 웨이퍼의 결과를 예측한다. 위험은 외삽이다. 센서들이 서로 상관되어 있으면 학습 자료는 센서 공간의 좁은 띠에만 놓이고, 새 웨이퍼가 그 띠를 벗어나면 각 센서 값이 따로 보기에는 평범해도 조합이 처음 보는 영역일 수 있다. 새 점 \(\mathbf x_0\)의 지렛값 \(h_{00} = \mathbf x_0^{\mathsf T}(X^{\mathsf T}X)^{-1}\mathbf x_0\)가 학습 자료의 최대 지렛값을 넘으면 외삽이다(숨은 외삽).

SIMULATOR

가상 계측: 새 웨이퍼는 안쪽인가

흰 원(새 웨이퍼)을 끈다
새 웨이퍼 지렛값 h₀₀—
VM 예측 ± 95% PI—
실제 − 예측—
판정—
가로축은 챔버 압력 편차 \(x_1\), 세로축은 RF 전력 편차 \(x_2\)(표준화)이고, 초록 점은 학습 웨이퍼 40장이다. 흰 영역이 지렛값이 학습 자료의 최댓값 이하인 곳(내삽)이고, 빨갛게 칠한 바깥이 외삽 영역이다. 실제 공정에는 직선 모형이 놓친 약한 교호 항이 있어서, 학습 자료 근처에서는 잘 맞지만 대각선을 벗어나면 오차가 커진다. 해볼 것: ① 새 웨이퍼를 (1.5, 1.5)에 두면 두 센서 모두 범위 안이고 예측도 맞는다. ② (1.5, −1.5)로 옮기면 두 센서 각각은 학습 범위 안인데 지렛값이 치솟는다. 실제 막두께를 켜 보면 예측이 크게 빗나간다. ③ \(\rho\)를 0으로 내리면 학습 자료가 둥글게 퍼져 같은 점이 안쪽이 된다.
가상 계측은 회귀 모형이고, 그래서 외삽을 감시해야 한다 CMP와 CVD에서는 장비 센서와 종점 신호로 막두께·제거량을 예측하는 가상 계측 모형을 돌리고, 일부 웨이퍼만 실제로 계측해 모형을 검증·갱신한다. 예측값과 함께 지렛값(또는 마할라노비스 거리)과 예측 구간을 내보내, 학습 범위를 벗어난 웨이퍼는 실제 계측으로 돌리는 것이 기본이다. 센서끼리의 공선성 때문에 계수 하나하나를 물리적으로 해석하기 어렵다는 점도 기억하자. → CMPBook · 하이브리드 본딩과 미래 CMP(디지털 트윈과 가상 계측)
TCAD·컴팩트 모델 보정의 "골짜기" TCAD 보정이나 컴팩트 모델 추출은 측정 곡선과 모델 곡선 사이의 오차 제곱합을 최소로 만드는 비선형 최소 제곱 문제다. 두 매개변수가 같은 방향으로 곡선을 움직이면(예: 이동도와 직렬 저항) SSE 지형에 길쭉한 골짜기가 생겨, 다중 공선성처럼 각 값이 크게 흔들리면서도 맞춤은 똑같이 좋다. 앞의 SSE 지형 시뮬레이터에서 본 기운 골짜기와 같은 현상이다. 보정 순서와 실험 계획으로 매개변수를 따로 고정해 푼다. → TCADBook · 보정과 실험 계획

다항·변환 회귀와 과적합

"선형" 회귀의 선형은 계수에 대해 선형이라는 뜻이다. \(y = \beta_0 + \beta_1x + \beta_2x^2\)은 \(x\)에 대해 곡선이지만 \(x_1 = x\), \(x_2 = x^2\)으로 놓으면 다중 회귀 그대로다. 이것이 다항 회귀(polynomial regression)다. \(x\)와 \(x^2\)은 강하게 상관되므로 \(x - \bar x\)로 중심화하고 넣는다. 지수·거듭제곱 관계는 변환으로 직선을 만든다.

관계변환직선의 기울기·절편예
\(y = Ae^{kx}\)\(\ln y\) 대 \(x\)\(k\), \(\ln A\)누설 전류 대 전압, 열화
\(y = cx^{k}\)\(\ln y\) 대 \(\ln x\)\(k\), \(\ln c\)수명 대 스트레스(멱법칙), 잡음 스펙트럼
\(k = A\exp(-E_a/k_BT)\)\(\ln k\) 대 \(1/T\)\(-E_a/k_B\), \(\ln A\)산화·확산·식각 속도, 가속 수명

변환은 오차 구조도 바꾼다. 원래 축에서 오차가 곱셈 꼴(예: ±3%)이면 로그 축에서 더하기 꼴이 되어 등분산 가정에 맞는다. 반대로 원래 축의 오차가 더하기 꼴이면 로그를 취한 뒤 작은 값 쪽 잔차가 커진다. 로그 축에서 구한 예측을 지수로 되돌리면 평균이 아니라 중앙값의 추정이 된다는 점도 기억하자.

점을 위아래로 끈다
MINI LAB700–900 °C에서 잰 반응 속도 다섯 점(오차 약 3%, 곱셈 꼴). 원래 축에서는 휘어진 곡선이지만 \(\ln k\) 대 \(1/T\)로 그리면 직선이 되고, 기울기 \(-E_a/k_B\)에서 활성화 에너지와 95% 구간을 얻는다. 점을 끌면 추정이 따라 바뀐다. 가장 높은 온도의 점 하나가 \(E_a\)를 크게 움직이는 것은 그 점의 \(1/T\)가 끝에 있어 지렛값이 크기 때문이다.

열산화 속도 \(k\)(nm/min)를 700, 750, 800, 850, 900 °C에서 재어 2.57, 5.01, 10.1, 18.6, 31.0을 얻었다. \(\ln k\)를 \(1/T\)(T는 K)로 회귀해 활성화 에너지 \(E_a\)와 95% 신뢰 구간을 구하라. \(k_B = 8.617\times10^{-5}\) eV/K.

풀이 보기
전략 \(x = 1/T\), \(y = \ln k\)로 단순 회귀하면 기울기 \(= -E_a/k_B\)이다.
풀이 \(T\) = 973.15, …, 1173.15 K, \(x \times 10^4\) = 10.276, 9.774, 9.318, 8.904, 8.524, \(y\) = 0.944, 1.611, 2.313, 2.923, 3.434. 회귀하면 기울기 \(b = -14383\) K, \(\mathrm{SE} = 205.9\) K, \(R^2 = 0.9994\). \(E_a = 14383\times8.617\times10^{-5} = 1.239\) eV. \(t_{0.025,3} = 3.182\)이므로 기울기 구간 \(-14383 \pm 655\), 곧 \(E_a \in (1.183, 1.296)\) eV.
\(E_a \approx 1.24\) eV, 95% 구간 (1.18, 1.30) eV
검토 \(R^2\)가 0.999를 넘어도 점이 다섯 개뿐이라 자유도 3의 큰 t 값 때문에 구간 폭이 ±0.06 eV다. 이 직선으로 950 °C 속도를 외삽하면 약 51.8 nm/min인데, 고온에서 반응 기구가 바뀌면(확산 율속 등) 맞지 않을 수 있다.
프레스턴 계수와 아레니우스 맞춤 CMP 제거 속도는 프레스턴 식 \(\mathrm{MRR} = k_pPV\)로 압력×속도에 비례한다. 블랭킷 웨이퍼를 여러 \(PV\) 조건에서 연마해 원점을 지나는 회귀(절편 없는 모형)로 \(k_p\)를 맞추고, 절편이 0에서 벗어나면 문턱이나 화학 작용을 의심한다. 슬러리 온도에 따른 \(k_p\)는 \(\ln k_p\) 대 \(1/T\)의 직선으로 활성화 에너지를 얻는다. → CMPBook · 프레스턴 방정식과 재료 제거

과적합

다항식의 차수를 올리면 학습 자료의 SSE는 계속 줄어든다. 점이 \(n\)개면 \(n-1\)차 다항식이 모든 점을 정확히 지나 SSE가 0이 된다. 그러나 그 곡선은 잡음까지 외운 것이라 새 자료에서는 엉망이다. 자료의 잡음까지 맞추느라 새 자료에 대한 예측이 나빠지는 현상을 과적합(overfitting)이라 한다.

점 12개에 다항식을 맞춘다. 차수를 1에서 10까지 올릴 때, 맞춤에 쓰지 않은 새 자료(시험 자료)에서의 오차는 어떻게 변할까?

낮은 차수는 참 곡선을 따라가지 못해 편향이 크고(과소적합), 높은 차수는 잡음에 휘둘려 분산이 크다(과적합). 9장의 편향–분산 분해가 모형 선택에서 다시 나타난다. 시험 오차가 가장 작은 차수가 적당한 복잡도다.
SIMULATOR

다항식 차수와 시험 오차

채운 점 = 학습, 빈 점 = 시험
흰 원을 끌어 차수를 고른다
학습 RMSE—
시험 RMSE—
R² / 수정 R²—
시험 오차 최소 차수—
오른쪽 그래프는 차수별 학습 RMSE(초록)와 시험 RMSE(빨강)이고, 점선은 잡음 수준 \(\sigma = 0.35\)이다. 해볼 것: ① 차수를 10까지 올리면 학습 RMSE는 0 쪽으로 가지만 곡선이 학습 점 사이에서 요동치고 시험 RMSE가 치솟는다. ② 새 표본을 여러 번 뽑아 보자. 시험 오차 최소 차수는 대개 3–5 근처지만 표본마다 조금씩 다르다. ③ 학습 자료를 60개로 늘리면 높은 차수에서도 과적합이 훨씬 덜하다. 자료가 많을수록 복잡한 모형을 감당할 수 있다.

실무에서는 시험 자료를 따로 떼어 두기 어려우므로 교차 검증(cross-validation)을 쓴다. 자료를 \(K\)묶음으로 나누어 하나씩 빼고 맞춘 뒤 뺀 묶음을 예측하는 일을 돌아가며 하고, 예측 오차를 평균한다. 한 점씩 빼는 경우(LOOCV)는 다시 맞출 필요 없이 잔차와 지렛값만으로 \(\mathrm{PRESS} = \sum[e_i/(1 - h_{ii})]^2\)로 계산된다. 수정 \(R^2\), AIC, BIC도 복잡도에 벌점을 주어 같은 목적을 이룬다. 그리고 무엇보다 물리적으로 말이 되는 가장 단순한 모형을 먼저 고른다.

로지스틱 회귀 맛보기

반응이 합격·불합격, 고장·생존처럼 두 값뿐일 때가 있다. 산화막에 스트레스 전압 \(x\)를 걸고 소자가 파괴되었는지(\(y = 1\)) 아닌지(\(y = 0\))를 기록했다면, 관심은 \(p(x) = P(Y = 1\mid x)\)이다. 0/1 자료에 직선을 맞추면 \(p\)가 0보다 작거나 1보다 커지고, 분산 \(p(1-p)\)도 \(x\)마다 달라 최소 제곱의 가정이 깨진다. 대신 확률을 S자 곡선으로 모형화하는 것이 로지스틱 회귀(logistic regression)다.

$$p(x) = \frac{1}{1 + e^{-(\beta_0 + \beta_1x)}}\quad\Longleftrightarrow\quad \ln\frac{p}{1 - p} = \beta_0 + \beta_1x$$
\(p/(1-p)\)를 오즈(odds), 그 로그를 로짓(logit)이라 한다. 로짓이 \(x\)의 직선이다. \(x\)가 1 늘면 오즈가 \(e^{\beta_1}\)배가 된다(오즈비). \(p = 0.5\)가 되는 \(x_{50} = -\beta_0/\beta_1\)에서 곡선이 가장 가파르고, 그 기울기는 \(\beta_1/4\)이다. 계수는 최소 제곱이 아니라 9장의 최대 가능도로 추정한다: \(\ell(\beta) = \sum[y_i\ln p_i + (1 - y_i)\ln(1 - p_i)]\)를 최대로 만든다.
SIMULATOR

과녁 맞히기: S자 곡선을 손으로 맞추기

흰 원: 가운데(x₅₀) · 마름모: 기울기
내 곡선 x₅₀ / β₁—
로그 가능도 ℓ—
최대 ℓ과의 차—
성공—
소자 40개에 4–9 V 스트레스를 걸어 파괴(1, 위)와 생존(0, 아래)을 찍었다. 목표: 두 핸들을 끌어 로그 가능도를 최댓값과 0.5 이내로 맞춘다(성공하면 최댓값이 공개된다). 해볼 것: ① 곡선을 너무 가파르게 세우면 경계 근처의 "예외" 소자 하나가 \(\ln(1 - p) \to -\infty\)로 큰 벌점을 받는다. ② 최대 가능도 곡선은 전압 구간별 불량 비율(네모)을 대체로 지난다. ③ 표시되는 \(e^{\beta_1}\)는 1 V 올릴 때 파괴 오즈가 몇 배가 되는지다.
흰 원을 곡선 따라 끈다
MINI LAB확률 \(p\), 오즈 \(p/(1-p)\), 로짓 \(\ln[p/(1-p)]\)의 관계. 왼쪽 S자 곡선 위의 점을 끌면 오른쪽 그래프(\((p, \text{로짓})\) 평면)에서 같은 점이 함께 움직인다. \(p\)가 0.5 근처에서는 로짓이 \(p\)와 거의 비례하지만, 0이나 1에 가까워지면 로짓이 끝없이 커진다. 확률 0.99와 0.999의 차이가 로짓으로는 2.3만큼이다.

로지스틱 회귀 결과가 \(\hat\beta_0\) = -12.0, \(\hat\beta_1\) = 2.0 /V이면 파괴 확률이 50%인 전압은 이고, 1 V 올릴 때 파괴 오즈는 배가 된다. 스트레스 7.0 V에서 파괴 확률은 , 파괴 확률을 1% 이하로 두려면 이하로 써야 한다.

스트레스 전압 \(x\)(V)에 대한 산화막 파괴의 로지스틱 회귀가 \(\hat\beta_0 = -12.0\), \(\hat\beta_1 = 2.0\)이다. \(x_{50}\), 1 V당 오즈비, 5 V와 7 V에서의 파괴 확률을 구하라.

풀이 보기
전략 \(x_{50} = -\beta_0/\beta_1\), 오즈비 \(e^{\beta_1}\), \(p = 1/(1 + e^{-\eta})\).
풀이 \(x_{50} = 12/2 = 6.0\) V. 오즈비 \(e^{2} = 7.39\). 5 V: \(\eta = -2\), \(p = 1/(1 + e^{2}) = 0.119\). 7 V: \(\eta = 2\), \(p = 0.881\).
\(x_{50} = 6.0\) V, 오즈비 7.39, \(p(5) = 0.119\), \(p(7) = 0.881\)
검토 6 V를 중심으로 대칭이다. 5 V에서 7 V로 올리면 오즈가 \(e^4 = 54.6\)배가 된다. 확률 자체는 0.119에서 0.881로 7.4배이니, 오즈비와 확률의 비는 다르다는 점에 주의한다.

로지스틱 회귀는 다중 회귀처럼 설명 변수를 여럿 둘 수 있고, 계수의 검정은 \(z = \hat\beta_j/\mathrm{SE}\)(왈드 검정)로 한다. 수율 분석에서 다이가 불량일 확률을 위치·검사 결과로 모형화하거나, 17장의 수명 자료에서 정해진 시간까지의 고장 여부를 스트레스로 설명할 때 쓴다. 더 넓은 일반화 선형 모형(포아송 회귀 등)으로 가는 출발점이기도 하다.

핵심 정리

  1. 최소 제곱 직선은 잔차 제곱합 \(\sum(y_i - a - bx_i)^2\)을 최소로 만든다: \(b = S_{xy}/S_{xx}\), \(a = \bar y - b\bar x\). 직선은 \((\bar x, \bar y)\)를 지나고, \(\sum e_i = 0\), \(\sum x_ie_i = 0\)이다.
  2. \(\mathrm{SST} = \mathrm{SSR} + \mathrm{SSE}\), \(R^2 = \mathrm{SSR}/\mathrm{SST} = r^2\)(단순 회귀). \(b = r\,s_y/s_x\)이므로 예측은 평균 쪽으로 당겨진다(평균으로의 회귀). \(R^2\)와 함께 \(s = \sqrt{\mathrm{SSE}/(n-2)}\)를 보고한다.
  3. 모형 \(Y = \beta_0 + \beta_1x + \varepsilon\), \(\varepsilon \sim N(0, \sigma^2)\)에서 \(\hat\beta_1 \sim N(\beta_1, \sigma^2/S_{xx})\). 구간 \(\hat\beta_1 \pm t_{\alpha/2,n-2}\,s/\sqrt{S_{xx}}\), 검정 \(t_0 = \hat\beta_1/\mathrm{SE}\), \(F = t_0^2\). \(x\)를 넓게 배치하면 기울기가 정확해진다.
  4. 평균 반응의 신뢰 구간은 \(s\sqrt{1/n + (x_0 - \bar x)^2/S_{xx}}\), 새 관측의 예측 구간은 \(s\sqrt{1 + 1/n + (x_0 - \bar x)^2/S_{xx}}\)에 비례한다. 둘 다 \(\bar x\)에서 가장 좁고 외삽에서 넓다. 검량선 역추정 \(\hat x_0 = (\bar y_0 - a)/b\)의 불확실성은 \(s/|b|\)에 비례한다.
  5. 잔차 그림으로 곡률·이분산·이상값·드리프트를 본다. 지렛값 \(h_{ii} = 1/n + (x_i - \bar x)^2/S_{xx}\)(평균 \(p/n\))은 잠재력, 쿡의 거리 \(D_i\)는 실제 영향이다. 숫자 요약만으로는 앤스컴의 네 자료를 구별하지 못한다.
  6. 다중 회귀: \(\hat{\boldsymbol\beta} = (X^{\mathsf T}X)^{-1}X^{\mathsf T}\mathbf y\), \(\operatorname{Cov}(\hat{\boldsymbol\beta}) = \sigma^2(X^{\mathsf T}X)^{-1}\), \(\hat{\mathbf y} = H\mathbf y\). 공선성은 표준 오차를 \(\sqrt{\mathrm{VIF}} = 1/\sqrt{1 - R_j^2}\)배로 부풀린다. 가상 계측에서는 새 점의 지렛값으로 숨은 외삽을 잡는다.
  7. 다항식과 변환(\(\ln y\), \(\ln x\), \(1/T\))으로 곡선 관계를 선형 회귀로 다룬다. 복잡도를 올리면 학습 오차는 줄지만 시험 오차는 U자를 그린다(과적합) — 교차 검증과 수정 \(R^2\)로 고른다. 0/1 반응은 로지스틱 회귀로, 로짓 \(\ln[p/(1-p)]\)가 \(x\)의 직선이고 \(e^{\beta_1}\)이 오즈비다.

연습문제

필요하면 부록 A의 분포 계산기로 t·F 분위수를 구한다. 따로 말이 없으면 단순 선형 회귀 모형의 가정(독립, 등분산, 정규 오차)을 따른다. 답이 ±1% 이내면 정답이다.

자료 5쌍에서 \(\sum x = 15\), \(\sum y = 40\), \(\sum x^2 = 55\), \(\sum xy = 140\)이다. 최소 제곱 직선의 기울기와 절편, \(x = 4\)에서의 예측값을 구하라.

\(S_{xx} = \sum x^2 - (\sum x)^2/n\), \(S_{xy} = \sum xy - \sum x\sum y/n\).

\(S_{xx} = 55 - 45 = 10\), \(S_{xy} = 140 - 120 = 20\), \(b = 2\), \(a = 8 - 2\times3 = 2\), \(\hat y(4) = 10\).

회귀 분석에서 \(\mathrm{SST} = 250\), \(\mathrm{SSE} = 40\)이고 기울기는 양수다. 결정 계수와 표본 상관 계수를 구하라.

\(R^2 = 1 - 40/250 = 0.84\). 단순 회귀에서 \(r = +\sqrt{R^2} = 0.917\)(기울기와 부호가 같다).

막두께를 증착 시간으로 회귀해 \(R^2 = 0.95\)를 얻었다. 옳은 해석은?

\(R^2 = \mathrm{SSR}/\mathrm{SST}\)는 설명된 변동의 비율이다. 곡선 자료에서도 \(R^2\)는 높을 수 있으므로 모형이 옳다는 증명이 아니며, 잔차 그림으로 확인해야 한다. 유의성은 t 또는 F 검정으로 따로 판단한다.

\(n = 12\)인 단순 회귀에서 \(\mathrm{SSE} = 18\), \(S_{xx} = 50\)이다. 잔차 표준 편차 \(s\)와 기울기의 표준 오차를 구하라.

\(s^2 = 18/10 = 1.8\), \(s = 1.342\). \(\mathrm{SE} = 1.342/\sqrt{50} = 0.190\).

\(n = 15\)인 검량선에서 \(\hat\beta_1 = 0.85\), \(\mathrm{SE}(\hat\beta_1) = 0.12\)이다. 기울기의 95% 신뢰 구간을 구하라. 장비가 기준과 1:1로 맞는다(\(\beta_1 = 1\))는 가설과 모순되는가?

\(t_{0.025,13} = 2.160\).

\(0.85 \pm 2.160\times0.12 = 0.85 \pm 0.259\), 곧 \((0.591, 1.109)\). 구간이 1을 포함하므로 유의 수준 0.05에서 \(\beta_1 = 1\)을 기각할 수 없다(맞는다는 증명은 아니다).

\(n = 20\)인 회귀에서 \(\hat\beta_1 = 0.42\), \(\mathrm{SE} = 0.18\)이다. \(H_0: \beta_1 = 0\)의 검정 통계량과 양측 p 값을 구하라.

\(t_0 = 0.42/0.18 = 2.333\), 자유도 18. \(p = 2P(T_{18} > 2.333) = 0.0314\). 유의 수준 0.05에서 기각한다.

\(n = 10\), \(\bar x = 5\), \(S_{xx} = 40\), \(s = 0.8\)인 회귀에서 \(x_0 = 8\)일 때 평균 반응의 95% 신뢰 구간 반폭과 새 관측의 95% 예측 구간 반폭을 구하라.

\(t_{0.025,8} = 2.306\), \((x_0 - \bar x)^2/S_{xx} = 9/40\).

신뢰: \(2.306\times0.8\sqrt{0.1 + 0.225} = 1.052\). 예측: \(2.306\times0.8\sqrt{1.1 + 0.225} = 2.124\). 예측 구간이 두 배쯤 넓다.

검량선이 \(\hat y = 0.52 + 2.40x\)(\(x\): 도즈 ×10¹⁴ cm⁻², \(y\): 신호 ×10³ counts)이다. 미지 시료의 신호가 9.0일 때 도즈를 추정하라.

\(\hat x_0 = (9.0 - 0.52)/2.40 = 3.533\).

\(x = 1, 2, \dots, 8\)에 놓인 표준 시료로 직선을 맞춘다. \(x = 8\)인 점의 지렛값은? 기준 \(2p/n\)과 비교하라.

\(\bar x = 4.5\), \(S_{xx} = 42\). \(h = 1/8 + 3.5^2/42 = 0.125 + 0.2917 = 0.417\). 기준 \(2\times2/8 = 0.5\)보다 작다. 고르게 놓인 설계에서는 끝점의 지렛값도 과하지 않다.

단순 회귀(\(p = 2\))에서 어떤 점의 잔차가 1.2, 지렛값이 0.4이고 \(s^2 = 0.5\)이다. 쿡의 거리를 구하고 영향점인지 판정하라.

\(D = \dfrac{e^2}{ps^2}\cdot\dfrac{h}{(1-h)^2} = \dfrac{1.44}{1.0}\cdot\dfrac{0.4}{0.36} = 1.6\). 1을 넘으므로 영향점이다. 이 점을 빼고 다시 맞춰 결론이 바뀌는지 확인한다.

가상 계측 모형에서 히터 전력 센서를 나머지 센서들로 회귀한 결정 계수가 0.90이다. 이 센서 계수의 VIF와, 표준 오차가 공선성이 없을 때의 몇 배인지 구하라.

\(\mathrm{VIF} = 1/(1 - 0.9) = 10\), 표준 오차 배수 \(\sqrt{10} = 3.16\).

설명 변수 3개인 다중 회귀를 \(n = 20\)개 자료에 맞춰 \(R^2 = 0.80\)을 얻었다. 수정 결정 계수와 전체 F 통계량을 구하라.

\(p = 4\), \(F = (R^2/k)/[(1 - R^2)/(n - p)]\).

\(R^2_{\text{adj}} = 1 - 0.2\times19/16 = 0.7625\). \(F = (0.8/3)/(0.2/16) = 21.33\), 자유도 (3, 16)에서 p 값은 \(10^{-5}\) 정도로 매우 작다.

여섯 온도에서 잰 확산 계수로 \(\ln D\)를 \(1/T\)에 회귀해 기울기 \(-13900\) K, 표준 오차 450 K를 얻었다. 활성화 에너지와 95% 신뢰 구간을 구하라. \(k_B = 8.617\times10^{-5}\) eV/K, \(t_{0.025,4} = 2.776\).

\(E_a = 13900\times8.617\times10^{-5} = 1.198\) eV. 기울기 구간 \(13900 \pm 2.776\times450 = 13900 \pm 1249\) K → \(E_a \in (1.090, 1.305)\) eV.

잔차 대 적합값 그림에서 적합값이 클수록 잔차가 넓게 퍼지는 깔때기 모양이 보였다. 가장 의심되는 것은?

깔때기는 이분산성의 전형이다. 측정 오차가 값에 비례(상대 오차 일정)하는 경우가 많고, 로그 변환이나 가중 최소 제곱으로 다룬다.

번인 시간 \(x\)(h)에 따른 조기 고장 검출 여부의 로지스틱 회귀가 \(\hat\beta_0 = -9\), \(\hat\beta_1 = 0.6\)이다. \(x = 20\)에서의 검출 확률, \(x_{50}\), \(x\)가 5 h 늘 때의 오즈비를 구하라.

\(\eta = -9 + 12 = 3\), \(p = 1/(1 + e^{-3}) = 0.953\). \(x_{50} = 9/0.6 = 15\) h. 오즈비 \(e^{0.6\times5} = e^3 = 20.1\).

웨이퍼의 참 두께는 평균 100 nm, 표준 편차 2 nm이고 계측 오차는 표준 편차 1 nm(독립)다. 1차 측정값이 105 nm인 웨이퍼를 다시 재면 2차 측정값의 기댓값은?

두 측정의 상관 \(\rho = \sigma_T^2/(\sigma_T^2 + \sigma_m^2)\)이고, 두 측정의 분산이 같으므로 회귀 기울기가 곧 \(\rho\)다.

\(\rho = 4/5 = 0.8\). \(E[M_2\mid M_1 = 105] = 100 + 0.8\times5 = 104\) nm. 1차의 5 nm 초과분 중 1 nm는 측정 오차 몫으로 보아 되돌아온다.

개념 확인 퀴즈

최소 제곱 직선이 최소로 만드는 것은?

\(x\)는 정확하고 \(y\)에만 오차가 있다고 보므로 세로 거리를 쓴다. 잔차의 합은 최소 제곱 직선에서 언제나 0이라 기준이 될 수 없다. 절댓값 합을 최소로 만드는 방법(LAD)은 이상값에 강하지만 공식 해가 없다.

같은 검량선 자료에서 \(x_0\)을 \(\bar x\)에서 멀리 옮길 때 일어나지 않는 일은?

예측 구간의 분산은 신뢰 구간의 분산에 \(\sigma^2\)을 더한 것이라 어디서나 더 넓다. 두 띠 모두 \(\bar x\)에서 멀수록 넓어지고, 외삽에서는 띠 계산의 전제(직선 모형)마저 의심스럽다.

지렛값이 매우 큰 점에 대한 설명으로 옳은 것은?

지렛값은 \(x\) 위치만으로 정해진다. 큰 지렛값의 점이 다른 점들의 추세 위에 있으면 오히려 유익하고, 벗어나 있으면 영향점이 된다. 지우기 전에 원인을 조사한다.

다중 회귀에서 두 설명 변수의 상관이 0.98이다. 예상되는 증상은?

VIF \(= 1/(1 - 0.98^2) \approx 25\), 표준 오차는 약 5배다. 학습 자료 범위 안에서의 예측과 \(R^2\)는 거의 영향을 받지 않지만, 계수 하나하나는 믿기 어렵다. 한 변수를 빼거나, 두 변수를 묶거나, 실험 계획으로 상관을 깬다.

다항식 차수를 계속 올릴 때 반드시 일어나는 일은?

항을 더하면 모형이 이전 모형을 포함하므로 학습 SSE는 늘 수 없다. 그러나 시험 오차, 수정 \(R^2\), 표준 오차는 복잡도가 지나치면 나빠진다. 그래서 학습 자료의 맞춤만으로 모형을 고르면 안 된다.