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[TI-nspire] 지수 회귀 방정식, Exponential Regression
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- 2024.10.24 - 19:42 2024.10.23 - 22:54 4112 5
1. 실험 DATA
특정 미생물의 농도는 이론적으로 시간에 따라 다음 식과 같이 변한다고 한다.
$$ C = a \cdot \exp(-b \cdot t) = a \cdot e^{-b \cdot t}$$
실험에서 시간 \( t = 1 \)부터 \( t = 2.5 \)까지의 4개의 데이터 포인트에 대해 미생물 농도 \( C \) 값은 다음과 같다:
\[
\begin{array}{|c|c|}
\hline
t & C \\
\hline
1.0 & 6.05 \\
1.5 & 4.73 \\
2.0 & 3.69 \\
2.5 & 2.86 \\
\hline
\end{array}
\]
2. 회귀 방정식 (Regression)
주어진 식 \( C = a \cdot \exp(-b \cdot t) \)는 지수 함수 형태로, 지수적으로 감소하는 함수이기 때문에 이를 지수적 감소(exponential decay) 모델이라고 부르기도 합니다.
원래의 모형(공식)을 알고 있다면 그 모형과 가장 유사한 방식의 회귀 방정식을 선택하면 되고,
원래의 모형을 모르는 경우라면 데이터 값의 추세를 보고 결정해야 합니다.
위의 예에서는 (데이터 값이 적긴 하지만) 시간에 따라 자연적으로 감소하는 데이터의 형태를 보입니다.
예를 들어 방사성 붕괴나 미생물 성장/감소 등이 이러한 데이터 추세를 가집니다.
이러한 형태의 비선형 회귀 방정식을 지수 회귀 방정식(exponential regression)이라고 합니다.
실험 데이터를 바탕으로 지수 회귀 방정식의 \( a \)와 \( b \) 값을 추정하는 방법은 다음과 같은 단계를 따릅니다.
1. 양변에 자연 로그 취하기
주어진 식을 선형화하기 위해 양변에 자연 로그를 취합니다.
\[
\ln(C) = \ln(a) - b \cdot t
\]
즉, \( \ln(C) \)는 \( t \)에 대한 선형 함수가 됩니다:
\[
\ln(C) = -b \cdot t + \ln(a)
\]
이 식은 기울기가 \( -b \)이고, 절편이 \( \ln(a) \)인 직선 방정식입니다.
2. 데이터를 선형화
실험 데이터에서 \( t \)와 \( C \)의 값을 이용하여 \( \ln(C) \) 값을 계산합니다.
\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
t & C & \ln(C) \\
\hline
1.0 & 6.05 & \ln(6.05) = 1.800 \\
1.5 & 4.73 & \ln(4.73) = 1.554 \\
2.0 & 3.69 & \ln(3.69) = 1.306 \\
2.5 & 2.86 & \ln(2.86) = 1.051 \\
\hline
\end{array}
\]
3. 선형 회귀 분석
이제 \( \ln(C) \)와 \( t \)의 관계를 나타내는 선형 방정식의 기울기와 절편을 구하기 위해 선형 회귀 분석을 수행합니다. 선형 회귀는 다음과 같은 방정식을 사용합니다:
- 기울기 \( m \) (즉, \( -b \))는 다음과 같이 계산됩니다:
\[
m = \frac{n \sum t_i \ln(C_i) - \sum t_i \sum \ln(C_i)}{n \sum t_i^2 - (\sum t_i)^2}
\]
여기서:
- \( n = 4 \) (데이터 포인트의 개수)
- \( t_i \)와 \( \ln(C_i) \)는 주어진 데이터에서 가져옵니다.
데이터를 정리
\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
t_i & C_i & \ln(C_i) & t_i^2 & t_i \ln(C_i) \\
\hline
1.0 & 6.05 & 1.800 & 1.0 & 1.0 \cdot 1.800 = 1.800 \\
1.5 & 4.73 & 1.554 & 2.25 & 1.5 \cdot 1.554 = 2.331 \\
2.0 & 3.69 & 1.306 & 4.0 & 2.0 \cdot 1.306 = 2.612 \\
2.5 & 2.86 & 1.051 & 6.25 & 2.5 \cdot 1.051 = 2.628 \\
\hline
\end{array}
\]
각 합을 계산
이제 필요한 합들을 계산해보겠습니다:
1. \( \sum t_i = 1.0 + 1.5 + 2.0 + 2.5 = 7.0 \)
2. \( \sum \ln(C_i) = 1.800 + 1.554 + 1.306 + 1.051 = 5.711 \)
3. \( \sum t_i^2 = 1.0 + 2.25 + 4.0 + 6.25 = 13.5 \)
4. \( \sum t_i \ln(C_i) = 1.800 + 2.331 + 2.612 + 2.628 = 9.371 \)
기울기 \( m \) 계산
이제 이 값들을 공식에 대입해 \( m \)을 계산합니다.
\[
m = \dfrac{4 \cdot 9.371 - 7.0 \cdot 5.711}{4 \cdot 13.5 - 7.0^2} = -0.499
\]
- 절편 \( c \) 는 다음과 같이 계산됩니다:
\[
c = \frac{\sum \ln(C_i) - m \sum t_i}{n}
\]
여기에 이미 계산된 값을 대입해보겠습니다:
- \( \sum \ln(C_i) = 5.711 \)
- \( m = -0.499 \)
- \( \sum t_i = 7.0 \)
- \( n = 4 \)
$$ \text{절편 } c = \dfrac{5.711 - (-0.499 \times 7.0)}{4} = 2.301 $$
선형 회귀 방정식
$$ y = mx+c = -0.499 \cdot t + 2.301 $$
4. 지수 회귀 방정식으로 전환 : \( a \)와 \( b \) 구하기
선형 회귀 방정식에서 구한
기울기 \( m = -0.499\)이 \( -b \)이므로, 이를 이용해 \( b = 0.499\) 값을 구할 수 있고,
절편 \( c = ln(a \cdot e^{t})|_{t=0} = \ln(a) \)이므로, 이를 이용해 \( a \) 값을 구할 수 있습니다:
\( a \)는 이 값의 자연 로그 역함수이므로, \( a = \exp(2.301) \approx 9.98 \)입니다.
위 과정을 통해 최종적으로 지수 회귀 방정식을 구하였습니다.
$$ C = 9.98 \cdot \exp(-0.499 \cdot t) = 9.98 \cdot e^{-0.499 \cdot t} $$
3. TI-nspire 의 활용
기본 데이터 값의 입력 및 계산
ln(c) 의 선형 회귀 계산
ㄴ ∑ 함수를 말고 sum() 함수에 list 변수를 넣어서 계산하면 간단합니다.
ㄴ 여기서는 단지 공식을 표현하기 위해 사용한 것 뿐입니다.
지수 회귀 직접 계산
: 공학용 계산기에는 지수 회귀 방정식 기능이 있기 때문에 앞서 ln(c)를 선형회귀하는 과정이 불필요합니다.
그런데
구해진 TI-nspire 의 지수 회귀 방정식은 $ y = a \cdot e^{-b \cdot t} $ 꼴이 아니고,
$ y = a \cdot b^{t} $ 꼴이기 때문에 마지막으로 한번 더 계산이 필요합니다.
ㄴ solve 또는 ln() 으로 간단하게 찾을 수 있습니다.
한번에 찾을 방법은
(현재 기본 기능만으로는) DataQuest 앱을 이용하는 방법 뿐입니다. : 댓글 참고
불편하면 프로그램(라이브러리)를 만들어야겠죠.
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댓글5
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세상의모든계산기
최소자승법(최소 제곱법, Least Squares Method)을 행렬로 푸는 방법은 다음과 같은 수식을 사용합니다:
\[
\hat{\beta} = (A^T A)^{-1} A^T y
\]여기서:
- \( A \)는 독립 변수 \( t \)의 행렬
- \( y \)는 종속 변수 \( \ln(C) \)의 벡터
- \( \hat{\beta} \)는 구하려는 계수 벡터로, 기울기 \( b \)와 절편 \( \ln(a) \)가 들어갑니다.1. 행렬 \( A \), \( y \) 정의
주어진 데이터에서 \( t \)와 \( \ln(C) \) 값을 이용하여 다음과 같이 행렬 \( A \)와 벡터 \( y \)를 정의할 수 있습니다:# 데이터:
\[
\begin{array}{|c|c|}
\hline
t & \ln(C) \\
\hline
1.0 & 1.800 \\
1.5 & 1.554 \\
2.0 & 1.306 \\
2.5 & 1.051 \\
\hline
\end{array}
\]행렬 \( A \)는 상수항(절편)을 포함하기 위해 \( 1 \)을 추가하여 다음과 같이 구성됩니다:
\[
A = \begin{pmatrix}
1 & 1.0 \\
1 & 1.5 \\
1 & 2.0 \\
1 & 2.5
\end{pmatrix}
\]벡터 \( y \)는 종속 변수인 \( \ln(C) \) 값을 사용하여 구성됩니다:
\[
y = \begin{pmatrix}
1.800 \\
1.554 \\
1.306 \\
1.051
\end{pmatrix}
\]2. \( A^T A \) 계산
행렬 \( A^T \)는 \( A \)의 전치 행렬이므로 다음과 같습니다:\[
A^T = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 \\
1.0 & 1.5 & 2.0 & 2.5
\end{pmatrix}
\]이제 \( A^T A \)를 계산합니다:
\[
A^T A = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 \\
1.0 & 1.5 & 2.0 & 2.5
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
1 & 1.0 \\
1 & 1.5 \\
1 & 2.0 \\
1 & 2.5
\end{pmatrix}
\]\[
A^T A = \begin{pmatrix}
4 & 7.0 \\
7.0 & 13.5
\end{pmatrix}
\]3. \( A^T y \) 계산
다음으로 \( A^T y \)를 계산합니다:\[
A^T y = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 & 1 \\
1.0 & 1.5 & 2.0 & 2.5
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
1.800 \\
1.554 \\
1.306 \\
1.051
\end{pmatrix}
\]\[
A^T y = \begin{pmatrix}
1.800 + 1.554 + 1.306 + 1.051 \\
1.0 \cdot 1.800 + 1.5 \cdot 1.554 + 2.0 \cdot 1.306 + 2.5 \cdot 1.051
\end{pmatrix}
\]\[
A^T y = \begin{pmatrix}
5.711 \\
9.371
\end{pmatrix}
\]4. 계수 벡터 \( \hat{\beta} \) 계산
이제 계수 벡터 \( \hat{\beta} \)는 다음과 같이 구할 수 있습니다:\[
\hat{\beta} = (A^T A)^{-1} A^T y
\]먼저 \( A^T A \)의 역행렬을 구합니다:
\[
(A^T A)^{-1} = \frac{1}{(4 \cdot 13.5 - 7.0^2)} \begin{pmatrix} 13.5 & -7.0 \\ -7.0 & 4 \end{pmatrix}
\]\[
(A^T A)^{-1} = \frac{1}{5.0} \begin{pmatrix} 13.5 & -7.0 \\ -7.0 & 4 \end{pmatrix}
\]\[
(A^T A)^{-1} = \begin{pmatrix} 2.7 & -1.4 \\ -1.4 & 0.8 \end{pmatrix}
\]이제 역행렬과 \( A^T y \)를 곱하여 \( \hat{\beta} \)를 구합니다:
\[
\hat{\beta} = \begin{pmatrix} 2.7 & -1.4 \\ -1.4 & 0.8 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 5.711 \\ 9.371 \end{pmatrix}
\]\[
\hat{\beta} = \begin{pmatrix} (2.7 \cdot 5.711) + (-1.4 \cdot 9.371) \\ (-1.4 \cdot 5.711) + (0.8 \cdot 9.371) \end{pmatrix}
\]계산하면:
\[
\hat{\beta} = \begin{pmatrix} 15.4197 - 13.1194 \\ -7.9954 + 7.4968 \end{pmatrix}
\]\[
\hat{\beta} = \begin{pmatrix} 2.3003 \\ -0.4986 \end{pmatrix}
\]5. 결과
따라서, \( \hat{\beta} = \begin{pmatrix} 2.3003 \\ -0.4986 \end{pmatrix} \), 이는 다음을 의미합니다:
- 절편 \( \ln(a) \approx 2.3003 \), 따라서 \( a = \exp(2.3003) \approx 10.0 \)
- 기울기 \( b \approx 0.4986 \)이 방법을 통해 \( a \)와 \( b \) 값을 행렬 계산을 사용하여 구할 수 있습니다.
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세상의모든계산기
fx-570 을 이용한 계산 방법
https://allcalc.org/51166
* fx-570 에는 e^X 꼴, A*B^X 꼴 둘 다 있어서 한번에 되는데...
왜 TI-nspire 에는 왜 하나만 있지?
있는데 방법을 모르는 것 뿐인가?
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세상의모든계산기
vernier DataQuest 앱에는 해당 기능이 있습니다. Natural exponential Regression
출처 : https://groups.google.com/g/tinspire/c/97sKKp8WVB0
보니까 직접 실험장치를 통해 얻은 데이터만 쓸 수 있는게 아니고,
계산기에 입력된 리스트값도 링크해서 쓸 수 있네요. Link from List
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세상의모든계산기 님의 최근 댓글
2) 고정기준값 41에 대한 오차 제곱합 계산방법 이건 통계메뉴에서는 딱히 방법이 떠오르지 않네요. 질문하신 것과 같이 적은 갯수의 data라면 직접 입력하시는게 최선입니다. 하지만 DATA 갯수가 수십개 이상이라면? ㄴ 스프레드시트 기능을 이용하시는게 좋겠습니다. 【MENU】【8】 A열에 DATA 입력하고 B로 이동한 후 OPTN 【1】 Fill Formula 【ALPHA】키 방향키 숫자키 등을 이용해 수식 완성 C로 이동후 Formula 수식 입력 D의 빈공간으로 이동 후 OPTN 방향키 아래 누르다보면 Sum 보임 ALPHA 키 이용해서 수식 완성. : 기호는 MENU 버튼 바로 아래 있음 (ALPHA키로 입력) 【=】입력하면 최종결과 확인 * 주의 (B열, C열과 달리) D1 셀은 계산 결과인 951이 직접 입력된 상태이므로 DATA 수정후 recalculation 하여도 자동계산되지 않음. 자동계산을 위해서는 formula 형식으로 입력해야 함. 2026 10.27 1) 통계적 편차제곱합(평균 50.25기준) 입력 방법 【MENU】 【6】 【1】 로 1-var Stat 모드로 진입하여 【48】 【=】 【66】 【=】 【32】 【=】 【55】【=】 DATA 입력 【OPTN】 【3】 【▼】 【▼】 fx-570EX 기종에도 편차제곱합을 바로 보여주진 않습니다. 본문에 나온 것처럼 앞서 계산되어 저장된 각종 변수를 이용해 계산합니다. 【AC】【OPTN】【4】Statistics Calc 이 화면에서 다시 OPTN 하고 (메뉴가 3개로 줄어 있죠?) 여기서 방향키로 【▼】 아래를 내려보면 추가 메뉴가 있습니다. 4개 메뉴에는 각각 아래 하위 메뉴가 있습니다. 이 중에서 필요로 하는 것을 골라 계산하시면 되겠습니다. Variable 에 있는 값을 이용하면 다른 공식을 쓰셔도 됩니다. 2026 10.27 질문자님, 48,66,32,55 네 개 DATA 의 평균은 50.25라서 41은 평균이 아닙니다. 그래서 식을 두 가지 경우로 나누어 설명하겠습니다. 1) 통계적 편차제곱합(평균 50.25기준)이면 답은 608.75 입니다. 2) 만약 41이라는 고정 기준값에 대한 제곱합을 구하시는 거면 식은 (48-41)²+... 이고 답은 951입니다. 원문에 +로 쓰신 건 -의 오타로 보입니다. 2026 10.27 본문의 변환 위젯에 사용된 전서체 폰트는 대만의 최고 학술 연구 기관인 중앙연구원(Academia Sinica)에서 제공하는 ‘숭희전체(崇羲篆體)’로 전통 한자 서체인 소전(小篆)을 현대 컴퓨터 폰트(글꼴)로 구축한 오픈소스 프로젝트로 개발되었습니다. https://xiaoxue.iis.sinica.edu.tw/chongxi/download.htm 2026 10.20 예제1) 예제2) 예제3) 추가옵션 2026 10.18