성공적인 머신러닝 프로젝트의 이면에는 눈에 잘 띄지 않지만 결정적인 역할을 하는 과정이 숨어있습니다. 바로 ‘데이터 분할(Data Splitting)’입니다. 아무리 뛰어난 알고리즘과 방대한 데이터를 가지고 있다 하더라도, 데이터를 올바르게 분할하여 모델을 학습시키고 평가하지 않는다면, 그 모델은 현실 세계에서 무용지물이 될 가능성이 높습니다. 마치 공들여 지은 모래성이 파도 한 번에 쉽게 무너지는 것과 같습니다. 이 글에서는 머신러닝 모델의 신뢰성과 일반화 성능을 확보하는 데 필수적인 데이터 분할의 A부터 Z까지, 즉 학습 데이터, 검증 데이터, 테스트 데이터의 역할과 중요성, 다양한 분할 전략, 그리고 반드시 피해야 할 함정들까지 깊이 있게 탐구하여 여러분의 머신러닝 프로젝트 성공률을 극대화하는 데 도움을 드리고자 합니다.
1. 서론: 왜 데이터 분할이 머신러닝 성공의 초석인가?
머신러닝 프로젝트를 진행하다 보면 “우리 모델 정확도가 99% 나왔어요!”라는 말을 듣고 기뻐했지만, 실제 서비스에 적용했을 때 형편없는 성능을 보여 당황했던 경험이 있을 수 있습니다. 이러한 비극의 주요 원인 중 하나가 바로 ‘잘못된 데이터 분할’ 혹은 ‘데이터 분할의 부재’입니다. 데이터 분할은 우리가 개발한 머신러닝 모델이 단순히 학습 데이터에만 과적합되어 ‘암기’한 것이 아니라, 새롭고 알려지지 않은 데이터에 대해서도 얼마나 잘 ‘일반화’되어 작동하는지를 객관적으로 평가하기 위한 필수적인 단계입니다. 마치 학생이 연습문제만 잘 푸는 것이 아니라, 실제 시험에서도 좋은 성적을 거둘 수 있는지 확인하는 과정과 같습니다.
데이터를 학습(Training), 검증(Validation), 테스트(Test) 세트로 적절히 나누는 것은 모델의 성능을 신뢰할 수 있게 만들고, 다양한 모델 아키텍처나 하이퍼파라미터 중에서 최적의 조합을 선택하는 데 결정적인 기준을 제공합니다. 만약 이 과정을 소홀히 한다면, 우리는 스스로를 속이는 결과를 얻게 되며, 이는 곧 잘못된 비즈니스 의사결정으로 이어질 수 있습니다. 따라서 데이터 분할은 단순히 데이터를 나누는 기술적인 작업을 넘어, 머신러닝 프로젝트의 성패를 좌우하는 전략적인 과정이라 할 수 있습니다. 이 글을 통해 데이터 분할의 근본적인 이유부터 실전 적용 팁까지 명확하게 이해하고, 여러분의 모델이 실제 세상에서도 빛을 발할 수 있도록 견고한 토대를 마련하시길 바랍니다.
2. 왜 데이터를 분할해야 하는가? (Why Split Data?)
데이터를 분할하는 것은 번거로운 작업처럼 보일 수 있지만, 이는 머신러닝 모델의 신뢰성과 실용성을 보장하기 위한 가장 기본적인 안전장치입니다. 데이터를 분할하지 않고 전체 데이터를 모델 학습과 평가에 모두 사용한다면, 우리는 모델의 진짜 성능을 알 수 없는 심각한 위험에 빠지게 됩니다.
과적합(Overfitting) 방지: 모델이 암기 기계가 되는 것을 막아라
머신러닝 모델, 특히 복잡한 모델(예: 신경망, 결정 트리의 깊이가 깊은 경우)은 학습 데이터의 패턴을 너무 세세하게 학습한 나머지, 해당 데이터에만 특화된 성능을 보이려는 경향이 있습니다. 이를 ‘과적합(Overfitting)’이라고 부릅니다. 과적합된 모델은 학습 데이터에 대해서는 거의 완벽에 가까운 예측을 수행하지만, 학습 과정에서 보지 못했던 새로운 데이터에 대해서는 성능이 급격히 저하됩니다. 마치 시험 범위의 문제와 답만 달달 외운 학생이 조금만 응용된 문제가 나와도 풀지 못하는 것과 같습니다.
데이터를 학습 세트와 별도의 테스트 세트로 분리함으로써, 우리는 모델이 학습 데이터의 노이즈까지 학습하여 일반화 성능을 잃어버리는 것을 방지할 수 있습니다. 학습 세트에서 학습한 모델을 테스트 세트에서 평가했을 때 성능 차이가 크다면 과적합을 의심하고 모델의 복잡도를 줄이거나, 규제(Regularization)를 적용하거나, 더 많은 데이터를 확보하는 등의 조치를 취해야 합니다.
일반화 성능의 객관적 척도 확보
모델을 개발하는 궁극적인 목표는 학습 데이터에 대한 성능을 높이는 것이 아니라, 실제 운영 환경에서 마주하게 될 ‘새로운 데이터’에 대해 얼마나 잘 작동하는지를 보장하는 것입니다. 이를 모델의 ‘일반화 성능(Generalization Performance)’이라고 합니다. 만약 모델 평가에 학습 데이터를 사용한다면, 이는 이미 정답을 알고 시험을 치르는 것과 같아서 모델의 성능을 지나치게 낙관적으로 평가하게 됩니다.
학습 과정에서 전혀 사용되지 않은 독립적인 테스트 세트를 통해 모델을 평가함으로써, 우리는 모델이 얼마나 새로운 데이터에 잘 일반화되는지를 객관적으로 측정할 수 있습니다. 이 객관적인 평가는 모델의 신뢰도를 높이고, 여러 모델 중에서 어떤 모델이 실제 환경에서 더 우수한 성능을 보일지 예측하는 데 중요한 근거가 됩니다.
신뢰할 수 있는 하이퍼파라미터 튜닝의 기반
대부분의 머신러닝 알고리즘은 사용자가 직접 설정해야 하는 ‘하이퍼파라미터(Hyperparameter)’를 가지고 있습니다. 예를 들어, K-최근접 이웃(KNN) 알고리즘의 K값, 서포트 벡터 머신(SVM)의 C와 gamma 값, 신경망의 학습률(learning rate), 은닉층의 수, 뉴런의 수 등이 이에 해당합니다. 이러한 하이퍼파라미터의 설정값에 따라 모델의 성능은 크게 달라집니다.
최적의 하이퍼파라미터 조합을 찾기 위해서는 다양한 값을 시도해보고 그 성능을 비교해야 합니다. 이때, 학습 데이터만으로 성능을 평가하고 하이퍼파라미터를 선택한다면, 해당 하이퍼파라미터는 학습 데이터에 과적합될 가능성이 높습니다. 이를 방지하기 위해 ‘검증 데이터(Validation Data)’라는 별도의 데이터 세트를 사용합니다. 학습 데이터로 모델을 학습시킨 후, 검증 데이터로 각 하이퍼파라미터 조합의 성능을 평가하여 최적의 조합을 선택합니다. 이 과정을 통해 우리는 테스트 데이터에 대한 정보 노출 없이, 더 신뢰할 수 있는 하이퍼파라미터 튜닝을 수행할 수 있습니다.
3. 데이터 분할의 3가지 핵심 요소: 학습, 검증, 테스트 세트 (The Holy Trinity of Data Splitting: Training, Validation, and Test Sets)
일반적으로 전체 데이터셋은 그 목적에 따라 학습 데이터, 검증 데이터, 테스트 데이터라는 세 가지 하위 집합으로 분할됩니다. 이 세 가지 세트는 각각 명확한 역할과 사용 규칙을 가지며, 머신러닝 모델 개발 파이프라인에서 순차적으로 활용됩니다.
학습 데이터 (Training Data): 모델을 만드는 재료
정의와 핵심 역할
학습 데이터(또는 훈련 데이터)는 머신러닝 모델이 패턴을 학습하고, 입력 변수(feature)와 출력 변수(target 또는 label) 간의 관계를 파악하는 데 직접적으로 사용되는 데이터입니다. 전체 데이터셋 중에서 가장 큰 비중을 차지하며(보통 60%~80%), 모델의 파라미터(가중치, 편향 등)는 이 학습 데이터를 통해 최적화됩니다. 즉, 모델이 “배우는” 과정이 일어나는 데이터입니다.
학습 데이터 준비 시 고려사항
학습 데이터의 양과 질은 모델의 최종 성능에 지대한 영향을 미칩니다. 충분한 양의 데이터가 있어야 모델이 다양한 패턴을 학습하고 일반화될 수 있습니다. 또한, 학습 데이터는 실제 환경에서 마주할 데이터의 분포를 잘 대표해야 하며, 특정 그룹에 편향되지 않도록 주의해야 합니다. 데이터에 노이즈가 많거나 오류가 포함되어 있다면, 모델 학습에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 전처리 과정이 필요합니다.
실제 활용 예시: 모델 파라미터의 탄생
예를 들어, 스팸 메일 필터링 모델을 만든다고 가정해 봅시다. 수많은 이메일 데이터와 각 이메일이 스팸인지 아닌지에 대한 라벨(정답)로 구성된 학습 데이터를 사용하여 모델(예: 로지스틱 회귀, 나이브 베이즈)을 학습시킵니다. 모델은 학습 과정에서 특정 단어의 등장 빈도나 발신자 정보 등과 같은 특징들이 스팸 여부와 어떤 관련이 있는지를 나타내는 가중치(파라미터)들을 조정해 나갑니다.
검증 데이터 (Validation Data): 모델을 담금질하는 과정
정의와 핵심 역할
검증 데이터(또는 개발 데이터, Dev Set)는 학습 데이터로 학습된 여러 모델 또는 동일 모델의 여러 하이퍼파라미터 조합 중에서 어떤 것이 가장 좋은 성능을 내는지 평가하고 선택하기 위해 사용되는 데이터입니다. 학습 데이터와는 독립적이어야 하며, 모델 학습 과정에 직접적으로 관여하지는 않지만, 모델 선택 및 하이퍼파라미터 튜닝이라는 ‘간접적인 학습’ 과정에 영향을 미칩니다. 즉, 모델을 “튜닝하는” 과정에서 사용됩니다.
검증 데이터 활용의 중요성
만약 검증 데이터 없이 학습 데이터만으로 하이퍼파라미터를 튜닝한다면, 해당 하이퍼파라미터는 학습 데이터에 과적합될 가능성이 높습니다. 또한, 테스트 데이터를 사용하여 하이퍼파라미터를 튜닝한다면, 테스트 데이터의 정보가 모델 튜닝 과정에 노출되어 결국 테스트 데이터에 과적합된 모델이 만들어질 수 있습니다. 이렇게 되면 테스트 데이터는 더 이상 모델의 일반화 성능을 객관적으로 평가하는 역할을 수행할 수 없게 됩니다. 따라서 검증 데이터는 모델 튜닝과 최종 평가 사이의 중요한 완충 지대 역할을 합니다.
실제 활용 예시: 최적의 모델과 하이퍼파라미터 찾기
신경망 모델을 학습시킬 때, 학습률(learning rate), 배치 크기(batch size), 은닉층의 개수, 각 층의 뉴런 수 등 다양한 하이퍼파라미터를 설정해야 합니다. 검증 데이터를 사용하여 여러 하이퍼파라미터 조합으로 학습된 모델들의 성능(예: 정확도, 손실 값)을 비교하고, 가장 좋은 성능을 보인 조합을 선택합니다. 또한, 학습 과정에서 검증 데이터의 손실 값이 더 이상 감소하지 않고 증가하기 시작하면 과적합이 시작된 것으로 판단하여 학습을 조기에 중단(Early Stopping)하는 기준으로도 활용됩니다.
테스트 데이터 (Test Data): 모델의 최종 성적표
정의와 핵심 역할
테스트 데이터는 모델 개발의 모든 과정(학습, 모델 선택, 하이퍼파라미터 튜닝)이 완료된 후, 최종적으로 선택된 모델의 일반화 성능을 평가하기 위해 단 한 번 사용되는 데이터입니다. 이 데이터는 학습 데이터와 검증 데이터와는 완전히 독립적이어야 하며, 모델 학습 및 튜닝 과정에서 어떠한 정보도 노출되어서는 안 됩니다. 마치 수능 시험 문제처럼, 시험 당일 전까지는 절대 볼 수 없어야 하는 데이터입니다. 테스트 데이터에서의 성능은 모델이 실제 운영 환경에서 얼마나 잘 작동할지에 대한 가장 객관적인 추정치가 됩니다.
테스트 데이터의 신성불가침 원칙
테스트 데이터를 반복적으로 사용하여 모델을 개선하거나 하이퍼파라미터를 조정하는 것은 절대 금물입니다. 이는 테스트 데이터에 대한 정보가 모델에 ‘유출(leak)’되어 해당 데이터에 과적합되는 결과를 초래하며, 결국 모델의 실제 일반화 성능을 부풀리게 됩니다. 테스트 데이터는 오직 최종 모델의 성능을 ‘보고(report)’하는 용도로만 사용되어야 합니다.
실제 활용 예시: 미지의 데이터에 대한 성능 증명
앞서 개발한 스팸 메일 필터링 모델을 최종적으로 평가한다고 가정해 봅시다. 모델 학습이나 튜닝 과정에서 전혀 사용되지 않았던 새로운 이메일 데이터(테스트 데이터)를 모델에 입력하여 스팸 여부를 예측하게 하고, 실제 정답과 비교하여 정확도, 정밀도, 재현율 등의 성능 지표를 계산합니다. 이 결과가 바로 우리가 개발한 모델이 앞으로 받게 될 새로운 메일에 대해 얼마나 잘 작동할지에 대한 기대 성능이 됩니다. 만약 테스트 성능이 만족스럽지 않다면, 데이터 수집 단계나 모델링 초기 단계로 돌아가 문제를 분석하고 개선해야 할 수도 있습니다.
일반적으로 전체 데이터셋은 학습 세트 약 60%, 검증 세트 약 20%, 테스트 세트 약 20%의 비율로 분할하지만, 이 비율은 데이터셋의 크기나 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 데이터가 매우 클 경우에는 검증 세트와 테스트 세트의 비율을 더 작게 가져갈 수도 있습니다.
4. 다양한 데이터 분할 전략 및 기법 (Data Splitting Strategies and Techniques)
데이터를 단순히 세 덩어리로 나누는 것 외에도, 데이터의 특성과 양, 그리고 해결하려는 문제에 따라 다양한 분할 전략과 기법이 사용됩니다. 각 방법의 장단점을 이해하고 상황에 맞게 적용하는 것이 중요합니다.
단순 홀드아웃 (Simple Hold-out): 가장 기본적인 나누기
개념과 분할 방법
단순 홀드아웃은 가장 간단하고 직관적인 데이터 분할 방법입니다. 전체 데이터를 미리 정해진 비율(예: 학습:테스트 = 70:30 또는 학습:검증:테스트 = 60:20:20)에 따라 무작위로 한 번만 분할하여 사용하는 방식입니다. 예를 들어, 1000개의 데이터가 있다면 700개는 학습용으로, 300개는 테스트용으로 무작위로 선택합니다. 검증 세트가 필요한 경우에도 유사하게 분할합니다.
언제 사용하면 좋을까? 장점과 단점
장점:
- 구현이 매우 간단하고 빠릅니다.
- 계산 비용이 적게 듭니다.
- 데이터셋의 크기가 매우 클 경우에는 단순 홀드아웃만으로도 비교적 안정적인 성능 평가가 가능할 수 있습니다.
단점:
- 데이터를 한 번만 분할하기 때문에, 분할 결과에 따라 모델의 성능 평가가 크게 달라질 수 있습니다. 특히 데이터셋의 크기가 작을 경우, 우연히 학습하기 쉬운 데이터만 학습 세트에 포함되거나, 특정 패턴을 가진 데이터가 테스트 세트에 몰리는 등의 문제가 발생하여 성능 평가의 신뢰도가 떨어질 수 있습니다.
- 데이터의 특정 클래스가 매우 적은 불균형 데이터의 경우, 무작위 분할 시 특정 세트에 해당 클래스의 데이터가 전혀 포함되지 않거나 매우 적게 포함될 위험이 있습니다.
- 데이터를 효율적으로 사용하지 못합니다. (테스트 세트의 데이터는 학습에 전혀 사용되지 않음)
단순 홀드아웃은 대규모 데이터셋을 다루거나, 프로젝트 초기 단계에서 빠르게 모델 성능을 가늠해보고 싶을 때 유용할 수 있지만, 일반적으로는 교차 검증과 같은 더 견고한 방법을 사용하는 것이 권장됩니다.
교차 검증 (Cross-Validation): 데이터를 알뜰하게 사용하는 지혜
등장 배경과 핵심 아이디어
단순 홀드아웃 방식의 단점, 특히 데이터가 적을 때 발생하는 성능 평가의 불안정성을 극복하고, 제한된 데이터를 최대한 효율적으로 활용하기 위해 고안된 방법이 교차 검증입니다. 교차 검증의 핵심 아이디어는 전체 데이터를 여러 번 다른 방식으로 분할하여 학습과 평가를 반복하고, 그 결과들을 평균 내어 모델의 성능을 보다 안정적이고 신뢰할 수 있게 평가하는 것입니다.
K-겹 교차 검증 (K-Fold Cross-Validation) 상세 분석
가장 널리 사용되는 교차 검증 방법은 K-겹 교차 검증입니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.
- 전체 데이터를 비슷한 크기의 K개의 부분집합(폴드, fold)으로 나눕니다. (예: K=5 또는 K=10)
- 첫 번째 폴드를 테스트 세트로 사용하고, 나머지 K-1개의 폴드를 학습 세트로 사용하여 모델을 학습시키고 평가합니다.
- 두 번째 폴드를 테스트 세트로 사용하고, 나머지 K-1개의 폴드를 학습 세트로 사용하여 모델을 학습시키고 평가합니다.
- 이 과정을 K번 반복하여 각 폴드가 한 번씩 테스트 세트로 사용되도록 합니다.
- K번의 평가 결과를 평균 내어 모델의 최종 성능 지표로 삼습니다.
예를 들어, 5-겹 교차 검증(K=5)을 수행한다면, 데이터를 5개의 폴드로 나누고 총 5번의 학습과 평가가 이루어집니다. 모든 데이터 포인트는 한 번씩 테스트 세트의 일부로 사용되며, K-1번은 학습 세트의 일부로 사용됩니다.
층화 K-겹 교차 검증 (Stratified K-Fold Cross-Validation)으로 불균형 데이터 다루기
분류 문제에서 데이터의 클래스 분포가 불균형한 경우(예: 특정 질병 진단 데이터에서 양성 환자보다 음성 환자가 훨씬 많은 경우), 일반적인 K-겹 교차 검증을 사용하면 특정 폴드에 특정 클래스의 데이터가 매우 적거나 아예 포함되지 않을 수 있습니다. 이는 성능 평가를 왜곡시킬 수 있습니다.
층화 K-겹 교차 검증은 이러한 문제를 해결하기 위해 각 폴드를 나눌 때 원래 데이터셋의 클래스 비율을 최대한 유지하도록 데이터를 샘플링합니다. 예를 들어, 전체 데이터셋에 A 클래스가 70%, B 클래스가 30% 있다면, 각 폴드에도 A 클래스가 약 70%, B 클래스가 약 30%가 되도록 데이터를 분배합니다. 불균형 데이터를 다룰 때는 층화 K-겹 교차 검증을 사용하는 것이 거의 항상 더 좋습니다.
특별한 경우: LOOCV (Leave-One-Out Cross-Validation)
LOOCV는 K-겹 교차 검증에서 K가 전체 데이터 샘플의 수(N)와 같은 극단적인 경우입니다. 즉, 매번 단 하나의 데이터 샘플만을 테스트 세트로 사용하고, 나머지 N-1개의 샘플을 학습 세트로 사용합니다. 이 과정을 N번 반복합니다.
장점: 모든 데이터를 최대한 활용하여 모델을 학습시키고, 편향이 적은 성능 추정치를 얻을 수 있습니다.
단점: 데이터의 크기가 크면 N번의 학습과 평가를 수행해야 하므로 계산 비용이 매우 커집니다. 또한, 각 학습 세트가 거의 동일하기 때문에 분산이 클 수 있다는 단점도 지적됩니다.
교차 검증의 빛과 그림자
장점:
- 데이터를 보다 효율적으로 활용하여 모델 성능 평가의 신뢰도를 높입니다.
- 단순 홀드아웃에 비해 데이터 분할 방식에 따른 성능 변동성을 줄일 수 있습니다.
- 모델이 학습 데이터에 얼마나 민감하게 반응하는지에 대한 정보도 얻을 수 있습니다.
단점:
- 단순 홀드아웃에 비해 K번의 학습과 평가를 수행해야 하므로 계산 비용이 더 많이 듭니다.
- 교차 검증은 주로 모델 선택이나 하이퍼파라미터 튜닝 과정(즉, 검증 데이터의 역할)에서 활용되며, 최종 모델의 일반화 성능을 평가하기 위해서는 여전히 별도의 ‘최종 테스트 세트’가 필요합니다. (교차 검증 과정에서 모든 데이터가 한 번씩은 평가에 사용되었지만, 이는 모델 튜닝 과정의 일부로 간주되어야 합니다.)
시간 시계열 데이터 분할 (Time Series Data Splitting): 시간의 흐름을 거스르지 마라
시간 데이터 분할의 특수성과 중요성
주가 예측, 날씨 예보, 수요 예측 등 시간의 흐름에 따라 순차적으로 기록되는 시계열 데이터를 다룰 때는 일반적인 랜덤 분할 방식을 사용하면 안 됩니다. 시계열 데이터는 시간적인 의존성을 가지고 있기 때문에, 무작위로 데이터를 섞어버리면 미래의 정보가 과거의 정보를 예측하는 데 사용되는 ‘데이터 누수(Data Leakage)’가 발생하여 모델의 성능을 비현실적으로 높게 평가하게 됩니다. 실제 상황에서는 과거 데이터만을 사용하여 미래를 예측해야 합니다.
올바른 분할 방법론: 과거로 미래를 예측하지 않도록
시계열 데이터는 반드시 시간 순서를 유지하며 분할해야 합니다. 가장 기본적인 방법은 특정 시점을 기준으로 이전 데이터는 학습 세트로, 이후 데이터는 테스트 세트로 사용하는 것입니다. 검증 세트가 필요한 경우에도 마찬가지로 시간 순서를 지켜 학습 세트와 테스트 세트 사이에 위치시킵니다.
예: 2020년~2022년 데이터로 학습, 2023년 1월~6월 데이터로 검증, 2023년 7월~12월 데이터로 테스트.
롤링 예측 (Rolling Forecast) 및 슬라이딩 윈도우 (Sliding Window) 기법
더욱 현실적인 시계열 모델 평가를 위해 롤링 예측 또는 슬라이딩 윈도우 기법이 사용됩니다.
- 롤링 예측 (확장 윈도우): 초기 학습 기간을 설정하고, 다음 시점의 데이터를 예측한 후, 이 실제값을 다시 학습 데이터에 포함시켜 모델을 업데이트하고 다음 시점을 예측하는 방식입니다. 학습 데이터가 점차 늘어납니다.
- 슬라이딩 윈도우: 고정된 크기의 윈도우(학습 기간)를 시간 축을 따라 이동시키면서 모델을 학습하고 다음 시점을 예측합니다. 오래된 데이터는 학습에서 제외됩니다.
이러한 방법들은 모델이 시간에 따라 변화하는 데이터 패턴에 얼마나 잘 적응하는지를 평가하는 데 도움이 됩니다.
그룹 기반 분할 (Group-based Splitting): 데이터 독립성 확보의 열쇠
그룹핑이 필요한 이유: 숨겨진 의존성 제거
경우에 따라 데이터 샘플들이 완전히 독립적이지 않고 특정 그룹에 속해 있을 수 있습니다. 예를 들어, 한 환자로부터 여러 번의 측정 데이터가 있거나, 한 사용자로부터 여러 개의 행동 로그가 있는 경우입니다. 이러한 상황에서 단순 무작위 분할을 사용하면 동일 환자나 동일 사용자의 데이터가 학습 세트와 테스트 세트에 모두 포함될 수 있습니다. 이렇게 되면 모델은 특정 환자나 사용자의 고유한 패턴을 학습하여 테스트 세트에서 비정상적으로 높은 성능을 보일 수 있지만, 완전히 새로운 환자나 사용자에 대해서는 성능이 떨어질 수 있습니다.
그룹 단위 분할 방법
이러한 문제를 해결하기 위해 그룹 기반 분할(예: GroupKFold, LeaveOneGroupOut)을 사용합니다. 이 방법은 개별 데이터 샘플이 아닌, 그룹 ID(예: 환자 ID, 사용자 ID)를 기준으로 데이터를 분할합니다. 즉, 특정 그룹의 모든 데이터는 학습 세트에만 속하거나, 테스트 세트에만 속하도록 합니다. 이를 통해 학습 세트와 테스트 세트 간의 데이터 독립성을 확보하고 모델의 일반화 성능을 더 정확하게 평가할 수 있습니다.
적용 사례: 환자 데이터, 사용자 행동 로그 분석
의료 분야에서 한 환자로부터 얻은 여러 이미지나 생체 신호 데이터를 분석할 때, 또는 전자상거래 사이트에서 한 사용자의 여러 구매 기록을 분석하여 추천 모델을 만들 때 그룹 기반 분할이 매우 중요합니다. 이를 통해 모델이 특정 개인에게만 과적합되는 것을 방지하고, 새로운 개인에게도 잘 일반화될 수 있도록 합니다.
5. 데이터 분할 시 흔히 저지르는 실수와 주의사항 (Common Pitfalls and Best Practices in Data Splitting)
데이터 분할은 신중하게 수행하지 않으면 모델 성능 평가를 왜곡시키고 잘못된 결론을 내리게 할 수 있습니다. 다음은 데이터 분할 시 흔히 발생하는 실수와 이를 방지하기 위한 최선의 방법들입니다.
최악의 적, 데이터 누수 (Data Leakage)를 막아라
데이터 누수의 정의와 발생 시나리오
데이터 누수는 모델 학습 과정에서는 접근할 수 없어야 하는 정보(주로 테스트 데이터나 미래 데이터의 정보)가 학습 과정에 부주의하게 포함되어 모델 성능이 비현실적으로 높게 평가되는 현상을 말합니다. 이는 마치 시험 전에 정답을 미리 알고 시험을 보는 것과 같습니다.
발생 시나리오:
- 분할 전 전체 데이터로 전처리 수행: 예를 들어, 전체 데이터셋의 평균과 표준편차를 사용하여 스케일링(Scaling)을 한 후 데이터를 분할하면, 테스트 세트의 정보(평균, 표준편차)가 학습 세트와 검증 세트에 영향을 미치게 됩니다. 전처리는 반드시 학습 데이터를 기준으로 수행하고, 동일한 기준으로 검증 및 테스트 데이터에 적용해야 합니다.
- 테스트 데이터를 사용하여 특징 선택(Feature Selection)이나 모델 튜닝 수행: 테스트 데이터는 오직 최종 평가에만 사용되어야 합니다.
- 시간 시계열 데이터에서 미래 정보 사용: 앞서 언급했듯이, 미래의 데이터를 사용하여 과거를 예측하는 모델을 만드는 경우.
- 중복된 데이터 샘플: 학습 세트와 테스트 세트에 동일하거나 매우 유사한 데이터 샘플이 중복으로 존재하는 경우.
데이터 누수 예방을 위한 철저한 가이드라인
- 데이터 분할은 가장 먼저: 어떤 전처리나 특징 공학을 수행하기 전에 가장 먼저 학습, 검증, 테스트 세트로 데이터를 분할합니다.
- 학습 데이터 기준으로 전처리: 모든 전처리 과정(스케일링, 결측치 대체, 인코딩 등)은 학습 데이터에서만 통계치를 계산하고(예: 학습 데이터의 평균으로 결측치 대체, 학습 데이터의 min-max로 스케일링 파라미터 학습), 학습된 파라미터를 사용하여 검증 및 테스트 데이터에 동일하게 적용합니다. Scikit-learn의 Pipeline을 사용하면 이를 효과적으로 관리할 수 있습니다.
- 테스트 데이터는 철저히 격리: 최종 모델 평가 전까지 테스트 데이터를 절대 들여다보거나 분석하지 않습니다.
- 시간의 흐름 존중: 시계열 데이터의 경우 시간 순서를 엄격히 지켜 분할하고, 미래 정보가 과거로 유입되지 않도록 합니다.
- 교차 검증 시 주의: 교차 검증 파이프라인 내에서 각 폴드의 학습 데이터에 대해서만 전처리가 이루어지도록 주의합니다.
데이터 불균형 문제, 분할 단계부터 고려하라
불균형 데이터가 분할에 미치는 영향
분류 문제에서 특정 클래스의 샘플 수가 다른 클래스에 비해 현저히 적거나 많은 경우를 데이터 불균형이라고 합니다. 이러한 상황에서 단순 무작위 분할을 사용하면, 소수 클래스의 샘플이 검증 세트나 테스트 세트에 매우 적게 포함되거나 아예 포함되지 않을 수 있습니다. 이는 소수 클래스에 대한 모델 성능을 제대로 평가하기 어렵게 만들고, 전체적인 모델 평가의 신뢰도를 떨어뜨립니다.
층화 샘플링의 올바른 적용
이를 해결하기 위해 ‘층화 샘플링(Stratified Sampling)’을 사용해야 합니다. 층화 샘플링은 데이터를 분할할 때 각 세트(학습, 검증, 테스트) 내의 클래스 비율이 원본 데이터셋의 클래스 비율과 동일하거나 최대한 유사하게 유지되도록 샘플링하는 방법입니다. 대부분의 머신러닝 라이브러리(예: Scikit-learn의 train_test_split 함수의 stratify 옵션, StratifiedKFold)는 층화 샘플링 기능을 제공합니다.
마법의 비율은 없다: 적절한 분할 비율 탐색하기
데이터 크기와 특성에 따른 분할 비율 가이드
학습, 검증, 테스트 세트의 분할 비율에 대한 절대적인 규칙은 없습니다. 일반적으로 사용되는 비율은 다음과 같습니다.
- 데이터가 충분히 클 경우 (수십만 건 이상): 학습 80-90%, 검증 5-10%, 테스트 5-10% 또는 학습 98%, 검증 1%, 테스트 1% 와 같이 검증 및 테스트 세트의 비율을 작게 가져갈 수 있습니다. 절대적인 샘플 수가 충분하다면 작은 비율로도 안정적인 평가가 가능하기 때문입니다.
- 데이터가 적당한 크기일 경우 (수천~수만 건): 학습 60-70%, 검증 15-20%, 테스트 15-20%가 일반적입니다.
- 데이터가 매우 작을 경우: 교차 검증을 적극적으로 활용하고, 가능한 많은 데이터를 학습에 사용하되, 테스트 세트는 최소한의 신뢰도를 확보할 수 있는 크기로 유지합니다. (LOOCV도 고려 가능)
문제의 복잡도, 모델의 종류, 학습에 필요한 데이터의 양 등을 종합적으로 고려하여 비율을 결정해야 합니다. 핵심은 각 세트가 자신의 역할을 수행하기에 충분한 양의 데이터를 포함하도록 하는 것입니다.
결과의 재현성 확보: 랜덤 시드(Random Seed)의 역할
데이터를 무작위로 분할할 때, 실행할 때마다 다른 방식으로 분할되어 모델 성능 평가 결과가 달라질 수 있습니다. 이는 실험 결과를 비교하거나 다른 사람과 작업을 공유할 때 혼란을 야기할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 랜덤 분할 함수를 사용할 때 ‘랜덤 시드(Random Seed 또는 Random State)’ 값을 고정합니다. 랜덤 시드를 특정 숫자로 설정하면, 코드를 다시 실행해도 항상 동일한 방식으로 데이터가 분할되어 결과의 재현성을 확보할 수 있습니다.
테스트 데이터는 마지막 순간까지 봉인하라
다시 한번 강조하지만, 테스트 데이터는 모델 개발 과정의 가장 마지막, 즉 최종적으로 선택된 단일 모델의 일반화 성능을 평가할 때 단 한 번만 사용해야 합니다. 테스트 데이터를 사용하여 모델을 개선하려는 유혹에 빠지면 안 됩니다. 이는 마치 모의고사를 여러 번 보면서 문제 유형에 익숙해진 학생이 실제 시험에서도 그 점수를 받을 것이라고 착각하는 것과 같습니다. 테스트 데이터의 ‘신성함’을 지키는 것이 신뢰할 수 있는 모델 평가의 핵심입니다.
6. 결론: 신뢰할 수 있는 모델 개발, 올바른 데이터 분할에서 시작된다
지금까지 우리는 머신러닝 모델 개발의 숨겨진 영웅, ‘데이터 분할’에 대해 심층적으로 탐구했습니다. 학습, 검증, 테스트라는 세 가지 핵심 데이터 세트의 명확한 역할 분담, 그리고 상황에 맞는 다양한 분할 전략(단순 홀드아웃, 교차 검증, 시계열 분할, 그룹 기반 분할)의 이해는 모델의 일반화 성능을 객관적으로 평가하고 과적합이라는 치명적인 함정을 피하는 데 필수적입니다.
데이터 분할의 핵심 가치 재정립
데이터 분할은 단순히 데이터를 나누는 행위를 넘어, 우리가 만든 모델이 실험실 환경을 벗어나 실제 세상의 불확실성 속에서도 얼마나 잘 작동할 수 있을지를 가늠하는 신뢰의 척도입니다. 데이터 누수를 방지하고, 불균형을 고려하며, 테스트 데이터의 순수성을 지키는 등의 원칙을 준수할 때 비로소 우리는 모델의 진정한 가치를 알 수 있게 됩니다. 이는 마치 꼼꼼한 설계도와 견고한 기초 공사 없이 높은 건물을 올릴 수 없듯이, 올바른 데이터 분할 없이는 신뢰할 수 있는 머신러닝 모델을 구축할 수 없다는 것을 의미합니다.
상황에 맞는 최적의 분할 전략 선택의 중요성
데이터의 크기, 특성(예: 시계열, 그룹 구조), 클래스 분포 등을 면밀히 검토하여 가장 적합한 분할 전략을 선택하는 것이 중요합니다. 대용량 데이터에는 단순 홀드아웃이 충분할 수 있지만, 데이터가 부족하거나 더 높은 신뢰도가 필요할 때는 교차 검증이 효과적입니다. 시계열 데이터는 시간의 흐름을, 그룹 데이터는 그룹의 독립성을 반드시 존중해야 합니다. “하나의 크기가 모든 것에 맞지는 않는다(One size fits all)”는 격언처럼, 데이터 분할 전략 역시 문제의 맥락에 맞게 유연하게 적용되어야 합니다.
성공적인 머신러닝 여정을 위한 최종 조언
데이터 분석가, 프로덕트 오너, 또는 머신러닝 엔지니어로서 여러분이 개발하거나 평가하는 모든 모델의 이면에는 데이터 분할이라는 중요한 결정이 자리 잡고 있음을 항상 기억하십시오. 모델의 성능 지표를 맹신하기 전에, 그 지표가 어떻게 얻어졌는지, 데이터는 올바르게 분할되었는지를 먼저 질문하는 습관을 들이는 것이 중요합니다. 이 글에서 제시된 원칙과 기법들을 실제 프로젝트에 적용함으로써, 여러분은 더욱 견고하고 신뢰할 수 있는 머신러닝 솔루션을 구축하고, 데이터 기반의 의사결정에 대한 확신을 높일 수 있을 것입니다. 올바른 데이터 분할은 성공적인 머신러닝 프로젝트를 향한 여정의 가장 확실한 첫걸음입니다.