Gurobi Machine Learning 1 因果推論とアップリフトモデリング

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1. 0 Gurobi Machine Learning 1 因果推論とアップリフトモデリング 2023-06-16 第49回NearMe技術勉強会 @yujiosaka
2. 1 機械学習
3. 2 既知のデータを学習することで、未知のデータについて予測すること 機械学習のおさらい x1とx2の2 変数だけを使って、 メールをSPAMかHAMかに分類したい • x1: 文字化けの数 • x2: 文中の「おめでとう」の回数 として、以下の分類ができる f(x) > 0: SPAM f(x) < 0: HAM
4. 3 教師あり • 分類 ◦ スパムフィルタ ◦ 画像認識 • 回帰 ◦ 株価予測 ◦ 不動産価格予測 教師なし • クラスタリング • GAN（Generative Adversarial Netrowk） 機械学習の分類
5. 4 • 治療を行うことで患者が回復するかどうか • 奨学金を与えることで入学率が向上するかどうか • 割引することで売上が伸ばせるかどうか • etc. リスク コスト コスト 介入操作が行われる分野 因果推論は、リスクやコストを伴う介入を行う分野とその研究 リスクやコストを最小限に抑えつつ、効果を最大化させたい
6. 5 普通の予測と何が違うのか？
7. 6 因果推論の根本問題 https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B8%E9%96%A2%E9%96%A2%E4%BF%82%E3%81%A8%E5%9B%A0%E6%9E%9C% E9%96%A2%E4%BF%82
8. 7 アップリフトモデリング
9. 8 対象を４章限に分類 この象限内の対象を分類したい
10. 9 • 「勉強したらテストに合格した」という観測からは 「勉強しなかったらテストに合格しなかった」のかはわからない • 後からこの学生は、「Persuadable」か「Sure Things」かは分類できない • ABテストを行えば、統計的に分類することは可能 • 実用的には、「Persuadable」の分類予測が行えれば十分なことが多い 解説 ABテストを必須としない方法も研究されている 勉強したから合格した 勉強してもしなくても合格した 誰に勉強させる（Treatment）べきかを知りたい
11. 10 勉強した学生（Treated）としなかった学生（Control）の2つのグループにランダムに分ける ①勉強した学生（Treated）を対象に、 　過去の成績等のデータから「（勉強した場合の）合格率」を予想するモデルを構築 ②勉強しなかった学生（Control）を対象に、 　過去の成績等のデータから「（勉強しなかった場合の）合格率」を予想するモデルを構築 2モデル 過去の成績が分かっている新たな学生に対し、「① - ② > 0」であれば、 その学生は勉強することで合格率が上がるだろうと予測できる コストの高い勉強（塾に通わせる等）であれば、「① - ②」の差が より大きい学生だけに介入するといった応用もできる
12. 11 • パラメータチューニングが難しくなる • 予測時の計算量が2倍になる • 特徴量の解釈が難しくなる 2モデルの問題点 → それぞれ異なるチューニングをして問題ないかは判断が難しい → 一度実行すればいい学習と違って、予測時の計算量は直接サーバーコストに影響する → 2つの学習結果で全く異なる特徴が抽出されてしまう
13. 12 変数Zを導入して、教師として学習 Pythonコード例 1モデル // 学習データ df = pd.DataFrame({ 'y': [1, 0, 1, 0], //合格したか？（response） 't': [1, 1, 0, 0], // 勉強したか？（treatment） 'x1': [0.2, 0.8, 0.3, 0.4], 'x2': [0.4, 0.4, 0.2, 0.2] }) x = df[['x1', 'x2']] z = 1 - (df['y'] ^ df['t']) // z = [1, 0, 0, 1] model.fit(x, z) // どんな分類器でも可
14. 13 介入の回数や予算に制約がある場合に効果を最大化させたい 例： 試験に合格したn人の学生に対して、奨学金を配ることで入学する学生数を最大化させたい。 ただし、奨学金には予算上限があり、1人あたり250万円以内、n*0.2人までにしか配れない。 どの学生に対して奨学金をどれだけ配るべきか？ アップリフトモデリングが答えてくれない問題 数理最適化と機械学習の統合が必要 → 次回 Gurobi Machine Learning を解説
15. 14 • Decision trees for uplift modeling 参考資料
16. 15 Thank you