ゼロから作るオトナの DeepLearning 第2回　実践編 2017/3/1　矢野高宏

DeepLearningでやりたいこと • ある入力に対してある出力がほしい アヤメのデータ （花弁の広さ、長さ） アヤメの種類 　セトサ？ 　バージカラー？ 　バージニカ？ 顔画像 100人中の誰に似てる？ とある人の 生体データ その人が糖尿病かどうか

今日用いるデータセット • Pima Indiain Diabetes – ある生体データを持ったが糖尿病であるかどうか？ – ２値分類問題 • Iris Data Set – SepalとPetalという2種類の花弁の長さ、幅からアヤメの種類 を判別分類する – 多値分類問題 • Housing Data Set – 犯罪率などのその土地の様々なデータから、その土地の地価 を予測する – 回帰問題（数値予測問題）

DeepLearningのライブラリ Kerasを使おう • Kerasとは今最も人気のDeepLearningのライブラリの１つ • Tensorflowをバックエンドにして動く • 日本語のドキュメントある https://keras.io/ja/ • 【速報】KerasがTensorFlowにとりこまれた（2017.2.15） – http://forest.watch.impress.co.jp/docs/news/1044528.html 作者のCholletさん

01pima.py

Kerasの定石 30秒で入門 • プログラミングの手順は決まっているので覚える 1.学習用のデータを作る（入力データと正解データ） 2.モデルを作る　model = Sequential() 3.モデルに層を積む　model.add(Dense(...)) 4.モデルを初期化　model.compile(...) 5.モデルを学習　model.fit(...) 6.モデルを評価　model.evaluate() （オプション） 7.モデルを利用　model.predict() （オプション）

大体こうやっておけばOKなところ① • 活性化関数はReLUにする • ただし、最後の層だけは問題により以下のよ うに設定する – ２値分類問題／多値分類問題 Sigmoid – 回帰問題 活性化関数を利用しない

活性化関数の復習 –パーセプトロンの例 • ニューラルネットワークの一番単純なもの 。 はステップ関数になる 関数 、 パーセプトロンの場合 を活性化関数と呼ぶ。 関数 を出力する。 で を得る。 を入力して h h y a h y b x w x w a a x x ) ( ) 1 , , ( 2 2 1 1 2 1 = + + =

大体こうやっておけばOKなところ② • 問題によってloss関数は以下のように使い分ける – ２値分類問題 binary_crossentropy – 多値分類問題 categorical_crossentropy – 回帰問題 mean_squared_error

大体こうやっておけばOKなところ③ • 最適化方法はAdamにする、学習が進まなかったら 他の方法に変えてみる – SGD/Adagrad/Adadelta/Adamax/RMSProp... – https://keras.io/ja/optimizers/

model.fit（...）の中身（NNの学習） については詳しく触れません • model.fit(...)の中でNeuralNetworkの学習をやってる が… – 誤差逆伝搬でなんたら...　(ﾟ⊿ﾟ)ｲﾗﾈ • DeepLearningを利用するために、DeepLearningが どうやってNeuralNetworkを学習するかを知る必要は ない！ – 車の運転をするためにエンジンの中身を理解するようなもの 知りたかったら この本参照

model.fit（...）の中身（NNの学習） のざっくりとした説明 [ ] OR NAND OR 2 NAND 2 OR 1 NAND 1 b b w w w w ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ AND AND 2 AND 1 b w w ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ( ) ⋯ , , , , 2 1 2 1 w w x x f y = 正解データ : y′ 2 y y loss − ′ = は予測データ y XORのNN y′ ） 比較（loss

model.fit（...）の中身（NNの学習） のざっくりとした説明 [ ] OR NAND OR 2 NAND 2 OR 1 NAND 1 b b w w w w ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ AND AND 2 AND 1 b w w ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ https://elix-tech.github.io/images/2016/kaggle_facial_keypoints/animation1.gif ( ) ⋯ , , , , 2 1 2 1 w w x x f y = 正解データ : y′ 2 y y loss − ′ = NNのパラメータ空間 等高線はlossをあらわす 転がってる球が現在のNNの状態 転がり方が最適化方法の違い は予測データ y 定数 定数 変数 XORのNN 2 w 1 w y′ ） 比較（loss

コードの内容を視覚的に把握してみる • 入力データ • ネットワーク形状 • データの流れ

02pima.py

学習データとテストデータに分ける • 学習データは「NNの学習に用いるデータ」のこと • テストデータは「学習によって得られたNNに、テスト として入力する未知の（学習に使ってない）データ」 • 分け方は３つある – 自力で分ける – scikit-learnのtrain_test_splitを利用する　←これを説明 – model.fitのvalidation_splitを利用する

大体こうやっておけばOKなところ④ • NNのパラメータの初期値にノイズを加える – ノイズを加えないと学習しないことが多い – 各層定義時の init でノイズの加え方を指定する – ノイズの加え方を変えてみる • ノイズの種類 • ランダム値のシード

03iris.py

大体こうやっておけばOKなところ⑤ • 高度な学習データの読み込みにはPandasを使う – データがスペースで区切られている場合 – データにラベルなどの文字列を含む場合 • カンマ（，）で区切られた数値だけのデータなら　　 numpy.loadtxt（）でOK

大体こうやっておけばOKなところ⑥ • 多値分類問題の正解データはOne-hot encodingする

One-hot encoding • 「階調表現」→「次元を分けたバイナリ表現」に変換 • 一行で変換

04boston.py

その他のKerasのTips

学習履歴の保存方法 • 06tips_history.py

モデルのセーブ・ロード方法 • 07tips_modelsaveload • 構造はJSONで • 重みパラメータはHDF5で

ベストな学習結果だけ保存する方法 • 08tips_savebest • fitにコールバックを仕込む

本日の参考文献 • Kerasの実践的な教則本　オススメ！ – https://machinelearningmastery.com/deep-learning-with-python2/ – より詳しい解説 • Cross Validation（交差検定） • Hyper ParameterのGrid Search • CNNを用いた画像データの解析 • LSTMを用いたテキストデータの解析 • あと、Keras公式のexamples – https://github.com/fchollet/keras/tree/master/examples

広大なDeepLearningの世界 まだやってないところ • 画像データのDeepLearning – CNN（Convolutional Neural Network） • テキストデータのDeepLearning – LSTM（Long Short Term Memory）、１次元CNN • モデルの層を深くした場合の調整方法 – Dropout、Pooling • さらに最前線の領域 – GAN、DNC、U-Net、ResNet、DQN、分岐したNN… • Kaggleチャレンジ • OpenAI Gym

画像データのCNNを見てみる • 09mnist_cnn • Mnistデータセットはディープラーニングの Hello World

END