회귀분석 기초 알아보기

점들이 흩어진 그래프에서 직선 하나를 긋고, 그 직선으로 무엇을 말할 수 있고 무엇은 말할 수 없는지 개념부터 사례까지 따라가 봅니다.

한눈에 보기

회귀분석은 한 변수(예: 집의 면적)가 달라질 때 다른 변수(예: 집값)가 평균적으로 어떻게 달라지는지를 수식으로 나타내는 통계 방법입니다. 데이터를 요약하고, 아직 모르는 값을 어림해 보고, 여러 요인 중 무엇이 결과와 더 같이 움직이는지 살필 때 쓰입니다. 다만 수식이 그려진다고 해서 원인과 결과가 확인되는 것은 아닙니다. 이 글에서는 개념과 용어, 방법의 역사, 두 가지 실제 사례, 직접 만든 가상 예시, 해석할 때의 한계를 차례로 살펴봅니다.

어떻게 생겨난 방법일까: 최소제곱법과 '회귀'라는 이름

직선을 긋는 기준인 최소제곱법을 처음 명확하게 출판한 사람은 프랑스의 아드리앵마리 르장드르로, 1805년이라고 위키백과(최소제곱법 항목)는 정리합니다. 독일의 카를 프리드리히 가우스는 1809년에 천체 궤도 계산법을 발표하면서 자신이 1795년부터 이 방법을 써 왔다고 주장해 우선권 논쟁이 생겼고, 이 방법을 확률과 정규분포에 연결한 것도 가우스였습니다. 이 방법이 힘을 보인 장면으로 자주 인용되는 것이 1801년입니다. 주세페 피아치가 소행성 세레스를 발견해 약 40일간 추적한 뒤 태양빛에 가려 놓쳤는데, 당시 24세였던 가우스가 최소제곱 분석으로 다시 나타날 위치를 예측했고 그 예측만이 세레스를 다시 찾게 해 주었다는 설명입니다.

'회귀(regression)'라는 낱말은 직선 긋기와 별개로 영국의 프랜시스 갈턴에게서 나왔습니다. 1886년 논문 「유전되는 키에서의 평균으로의 회귀」에서 갈턴은 부모와 성인 자녀의 키를 비교해, 부모의 키가 극단적일수록 자녀의 키는 부모만큼 극단적이지 않고 평균 쪽으로 되돌아오는 경향이 있음을 보였습니다. 이 현상을 수치로 다루는 과정에서 선형회귀 분석이 발전했고, 그래서 지금은 평균으로 되돌아가는 것과 상관없는 분석에도 '회귀'라는 이름을 씁니다.

회귀분석의 구성 요소와 원리

아래 항목은 회귀분석의 핵심 개념을 순서대로 정리한 것입니다. '무엇인가 → 가장 단순한 형태 → 직선을 정하는 기준 → 변수의 역할 → 실제 활용 → 변수를 늘리면 → 한계' 순으로 이어집니다.

  1. 회귀분석이란?

    회귀분석은 변수들 사이의 관계를 수식으로 표현해, 하나 이상의 변수 값을 가지고 다른 변수 값을 예측하는 데 활용하는 통계 기법입니다.

  2. 단순선형회귀란?

    단순선형회귀는 하나의 원인 변수만으로 결과 변수를 예측하는 가장 기본적인 형태로, 공부 시간만으로 시험 점수를 예측하는 경우가 이에 해당합니다.

  3. 회귀선이란?

    회귀선은 흩어져 있는 데이터 점들의 전반적인 경향을 가장 잘 나타내는 하나의 직선으로, 실제 데이터와 이 직선 사이의 차이(잔차)의 제곱합을 가장 작게 만드는 최소제곱법으로 구하는 것이 가장 흔한 방식입니다.

  4. 독립변수와 종속변수

    회귀분석에서 예측에 사용되는 변수를 독립변수, 예측하고자 하는 결과 변수를 종속변수라고 부릅니다.

  5. 부동산 가격 예측 사례

    집의 크기, 위치, 지어진 연도 등 여러 변수를 활용해 집값을 예측하는 것이 회귀분석이 실생활에서 활용되는 대표적인 사례입니다. 아래 본문의 가상 예시에서 직접 숫자로 확인할 수 있습니다.

  6. 여러 변수를 함께 고려하는 다중회귀

    결과에 영향을 주는 원인이 여러 개일 때는 여러 변수를 동시에 고려하는 다중회귀분석을 사용해 예측의 정확도를 높일 수 있습니다.

  7. 회귀분석의 한계

    회귀분석은 변수들 사이의 관계를 수식으로 보여줄 뿐, 그 관계가 반드시 인과관계임을 증명해주지는 않으므로 해석에 주의가 필요합니다.

이웃 개념과 비교하기

구분무엇을 알려 주나무엇은 알려 주지 않나
상관계수두 변수가 함께 움직이는 방향과 강도(-1에서 1 사이)한 변수가 한 단위 변할 때 다른 변수가 얼마나 변하는지
단순회귀독립변수 하나로 종속변수를 설명하는 직선의 기울기와 절편다른 요인의 영향이 섞여 있는지
다중회귀여러 변수를 함께 넣고 본 각 변수와 결과의 관계변수들이 서로 강하게 얽혀 있을 때 각자의 몫을 깔끔히 나누기는 어려움
인과 추론(실험 등)무작위 배정 같은 설계로 원인의 효과를 따짐회귀식만으로는 얻을 수 없음

실제 사례 두 가지

사례 1. 키가 큰 부모의 자녀는 왜 부모보다 덜 클까: 갈턴의 키 연구 (개념의 기원)

1880년대 갈턴은 부모와 성인 자녀 수백 명의 키를 모아 분석했습니다. 눈에 띈 점은 키가 매우 큰 부모의 자녀가 평균적으로는 부모보다 작고, 매우 작은 부모의 자녀는 평균적으로 부모보다 크다는 것이었습니다. 위키백과는 갈턴이 키에 대해 이 되돌아오는 정도를 대략 3분의 2 수준으로 추정했다고 전합니다. 이것이 세대를 거치며 사람들의 키가 모두 똑같아진다는 뜻은 아닙니다. 각 세대 안에서 키의 흩어짐은 새로운 변이로 계속 채워지기 때문입니다. 배울 점은 '극단적인 값 다음에는 덜 극단적인 값이 나오기 쉽다'는 통계적 성질이 있다는 것, 그리고 이 성질을 원인으로 잘못 해석하는 '회귀 오류'를 조심해야 한다는 것입니다. 위키백과는 예로 카너먼이 든 이야기를 소개합니다. 아주 잘한 뒤에는 칭찬을, 아주 못한 뒤에는 꾸중을 받는데, 다음 성과는 어차피 평균 쪽으로 돌아오기 쉬우므로 칭찬은 역효과 같아 보이고 꾸중은 효과 있어 보이는 착시가 생긴다는 것입니다.

사례 2. 숫자가 같아도 그림은 다르다: 앤스콤의 사중주 (시각화의 사례)

통계학자 프랜시스 앤스콤은 1973년에 네 개의 작은 데이터 묶음을 만들어 발표했습니다. 네 묶음은 x의 평균 9, x의 표본분산 11, y의 평균 약 7.5, y의 표본분산 약 4.125, 상관계수 약 0.816으로 같고, 회귀선도 모두 y = 3.00 + 0.500x, 결정계수(R²)도 약 0.67로 같습니다. 그런데 그래프를 그리면 모양은 서로 크게 다릅니다. 앤스콤은 요약 수치만 보고 판단하는 습관을 경계하며, 데이터를 분석 전에 그래프로 그려 봐야 한다는 점과 이상치 등 영향력이 큰 관측치가 통계량을 왜곡할 수 있다는 점을 보이려 했다고 합니다. 배울 점은 회귀식과 R²가 그럴듯해도 그것이 '직선이 어울린다'는 증거는 아니라는 것입니다. 산점도를 먼저 확인하고 잔차를 살피는 습관이 필요합니다.

직접 따라 해 보기: 부동산 가격 가상 예시

가상 예시입니다. 실제 시장 자료가 아니라 설명을 위해 만든 아파트 10채의 전용면적(㎡)과 가격(억 원)이며, 실제 시장보다 훨씬 깔끔하게 만들어 둔 데이터입니다.

면적(㎡)40506070808595105115130
가격(억 원)3.13.64.44.85.96.06.97.28.49.0

최소제곱법으로 계산하면(node로 검산) 기울기는 약 0.068, 절편은 약 0.28, 결정계수는 약 0.99입니다. 즉 이 가상 데이터에서는 '면적이 1㎡ 늘 때 가격이 평균 약 0.068억 원(약 680만 원) 오른다'는 식이 나옵니다. 이 식으로 100㎡의 값을 어림하면 약 7.09억 원, 60㎡는 약 4.36억 원입니다. 반면 관측된 면적(40~130㎡)을 한참 벗어난 300㎡에 같은 식을 쓰면 약 20.7억 원이 나오지만, 큰 집의 가격이 같은 비율로 오를 근거가 데이터에 없으므로 이런 외삽은 믿기 어렵습니다. 또 이 식에는 위치와 연식이 빠져 있어, 실제 분석이라면 변수를 추가한 다중회귀로 가야 하고 그때도 '면적 하나를 늘리면 가격이 이만큼 오른다'는 인과적 약속이 되지는 않습니다.

해석 전 확인 체크리스트

흔한 오해와 정정

한계와 더 알아볼 점

회귀 결과는 쓰인 데이터와 모형의 형태에 달려 있습니다. 이상치 하나가 직선을 크게 바꿀 수 있고, 빠진 변수가 있으면 남아 있는 변수의 기울기가 왜곡될 수 있으며, 독립변수들이 서로 강하게 얽혀 있으면(다중공선성) 각 변수의 몫을 따로 해석하기 어렵습니다. 이 글은 가장 기본적인 선형회귀 개념만 다루며, 가설검정이나 신뢰구간 같은 추론 부분은 통계적 유의성 이해하기와 함께 읽는 편이 좋습니다. 회귀분석으로 관계를 수식화한다고 해서 인과관계가 증명되는 것은 아니므로 상관관계와 인과관계 차이 알아보기도 함께 읽어 보세요.

자주 묻는 질문

회귀분석으로 예측한 값은 항상 정확한가요?

아닙니다, 회귀분석은 과거 데이터의 경향을 바탕으로 한 추정일 뿐이므로, 예상치 못한 변수나 상황 변화가 있으면 실제 값과 차이가 날 수 있습니다.

회귀선에서 멀리 떨어진 데이터는 어떻게 해석해야 하나요?

회귀선에서 크게 벗어난 데이터는 전체 경향과 다른 특이한 사례일 수 있으므로, 왜 그런 차이가 나는지 별도로 살펴볼 필요가 있습니다.

'회귀'라는 이름은 왜 붙었나요?

갈턴이 1886년 논문에서 부모와 자녀의 키를 비교하며, 극단적인 키가 다음 세대에서 평균 쪽으로 되돌아오는 경향을 '회귀'라고 부른 데서 유래했습니다. 지금은 그 현상과 무관한 분석에도 같은 이름을 씁니다.

변수를 많이 넣을수록 더 좋은 모형인가요?

그렇지 않습니다. 변수를 늘리면 주어진 데이터에는 더 잘 맞아 보이지만 새로운 데이터에는 오히려 맞지 않을 수 있습니다. 변수가 서로 얽혀 해석이 어려워지는 문제도 있어, 목적에 맞는 변수를 고르는 판단이 필요합니다.

상관계수와 회귀 기울기는 무엇이 다른가요?

상관계수는 두 변수가 함께 움직이는 방향과 강도를 -1에서 1 사이 값으로 보여 주고, 회귀 기울기는 독립변수가 한 단위 변할 때 종속변수가 평균적으로 얼마나 변하는지를 단위와 함께 보여 줍니다.

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