Pythonと機械学習(2)深層学習と強化学習

Pythonは、比較的新しい言語であるため、オブジェクト指向プログラミング、手続き型プログラミング、関数型プログラミング等の様々な効果的なプログラミング手法を利用することができる。また、多くのライブラリやフレームワークが用意されているため、Webアプリケーション、デスクトップアプリケーション、科学技術計算、機械学習、人工知能などの分野に広く使われている。さらに、クロスプラットフォームであり、Windows、Mac、Linuxなどの多くのオペレーティングシステムで動作するという特徴を持つ。Pythonは、インタープリタ言語であるため、コンパイルの必要がなく、REPL的な仕組みを持つため、開発サイクルが早くなる。

Pythonの開発環境には、以下に示すような開発環境が準備されている。

Anaconda： Anacondaは、Pythonのデータサイエンスに必要なパッケージやライブラリを含む、オールインワンのデータサイエンスプラットフォームとなり、Jupyter Notebookなどのツールも含まれて、簡単にデータ分析や機械学習のプロジェクトを始めることができるものとなる。
PyCharm： PyCharmは、JetBrainsが開発したPythonの統合開発環境（IDE）で、デバッグ、自動補完、テスト、プロジェクト管理、バージョン管理などのPythonの開発に必要な多くの機能を提供しており、プロジェクトの品質と生産性を向上させることができるものとなっている。
Visual Studio Code： Visual Studio Codeは、Microsoftが開発したオープンソースのコードエディタで、Pythonの開発にも対応しているものとなる。これは豊富な拡張機能を備えており、Pythonの開発に必要な機能を簡単に追加できる。
IDLE： IDLEは、Pythonに付属するシンプルで使いやすく、Pythonの学習に最適な標準の開発環境となる。

これらの環境を用いて、webアプリケーションや機械学習のコードを実装する。webアプリケーションのためのフレームワークは、MVCアーキテクチャに基づいた機能、セキュリティ、データベース、認証など、Webアプリケーションの開発に必要な多くの機能を提供するものとなり、以下のようなものがある。

Django： Djangoは、Pythonで最も広く使われているWebアプリケーションフレームワークの一つ。MVCアーキテクチャに基づき、高速で堅牢なアプリケーションを開発することができる。
Flask： Flaskは、軽量で柔軟なWebアプリケーションフレームワークで、Djangoに比べて学習コストが低いため、初心者から上級者まで幅広いプログラマーに使われている。
Pyramid： Pyramidは、柔軟なアーキテクチャと豊富な機能を備えたWebアプリケーションフレームワークとなる。DjangoやFlaskよりも高度なカスタマイズが可能であり、大規模なアプリケーションに向いている。
Bottle： Bottleは、軽量でシンプルなWebアプリケーションフレームワークで、小規模なアプリケーションやAPIを簡単に構築することができる。

最後に機械学習を扱うためのライブラリを示す。

Scikit-learn： Scikit-learnは、Pythonで最も広く使われている機械学習ライブラリ。分類、回帰、クラスタリング、次元削減など、さまざまな機械学習アルゴリズムを提供している。
TensorFlow： TensorFlowは、Googleが開発したオープンソースの機械学習ライブラリで、ニューラルネットワークの構築、トレーニング、推論など、多くの機能を提供している。
PyTorch： PyTorchは、Facebookが開発したオープンソースの機械学習ライブラリで、ニューラルネットワークの構築、トレーニング、推論など、TensorFlowと同様の機能を提供している。
Keras： Kerasは、高水準のニューラルネットワークAPIを提供するライブラリで、TensorFlow、Theano、Microsoft Cognitive Toolkitのバックエンドをサポートしている。
Pandas： Pandasは、データ処理を行うためのライブラリで、表形式のデータを扱うことができる。機械学習においては、データの前処理によく使われる。

これらのライブラリやフレームワークをうまく組み合わせることで様々なアプリケーションを構築することができる。

Pythonと機械学習について

Pythonは、設計者によって与えられた抽象的な命令を用いてプログラミングする高級言語であり(対義語としては、マシンレベルで命令とデータオブジェクトを使ってプログラミングする低級言語(low-level)がある)、様々な用途に適用可能な汎用言語(対義語としては特定の用途に向けて言語が最適化されている特殊目的語(targted to an application)がある)、ソースコート(siurce code)とよばれるプログラマの書いた命令が直接(インタープリタによって)実行される(対義としては、最初に(コンパイラによって)マシンレベルの基本的な命令に変換されるものがある)ものとなる。

Pythonは用途が広いプログラミング言語であり、コンピューターのハードウェアに直接アクセスする必要がなく、ほぼすべてのプログラムを効率的に作成する事ができる。Pythonは(静的意味論のチェックが脆弱なため)高い信頼性が求められるプログラムには適切でない。また(同じ理由により)多くの人が関わる、もしくは長期にわたり開発・維持するようなプログラムにも向かない。

しかしながら、Pythonは比較的シンプルな言語であり、学ぶ事が容易で、インタープリタ言語として設計されている為、初心者プログラマにとって非常に有用な、実行すぐのフィードバックが可能となる。また、自由に利用可能なライブラリが多数用意されており、それらを用いる事で様々な拡張機能が活用可能となる。

Pythonは1990年にGuido von Rossumによって開発されて以来、最初の10年は知名度は低く、ほとんど使われない言語であったが、2000年のPython2.0により、言語そのものへの重要な改善が多数加わり、進化の道筋の転換が行われた。また多くの人々によりPythonとのシームレスなインターフェースを持つライブラリの開発がスタートし、Python系の支援と開発が継続的に行われた。2008年にはPython3.0がリリースされた。このバージョンのPythonはPython2の多くの矛盾を改善した。しかしながら、これは後方互換性がない(前のバージョンのPythonで書かれたほとんどのプログラムは動かない)ものとなった。

ここ数年で重要なパブリックドメインで公開されているPythonのライブラリのほとんどはPython3に移植され、さらに多くの人々に活用されている。

本ブログでは、このPythonに関して以下の項目について述べている。

深層学習

モデル圧縮・軽量化

Post-training Quantizationの概要とアルゴリズム及び実装例について

Post-training Quantizationの概要とアルゴリズム及び実装例について。Post-training quantization（事後量子化）は、ニューラルネットワークの訓練が終了した後にモデルを量子化する手法であり、この手法では、通常の浮動小数点数で表現されているモデルの重みと活性化を、整数などの低ビット数で表現される形式に変換するものとなる。これにより、モデルのメモリ使用量が削減され、推論速度が向上する。以下に、Post-training quantizationの概要を示す。

Quantization-Aware Trainingの概要とアルゴリズム及び実装例について

Quantization-Aware Trainingの概要とアルゴリズム及び実装例について。Quantization-Aware Training（QAT）は、ニューラルネットワークを効果的に量子化（Quantization）するための訓練手法の一つであり、量子化は、モデルの重みや活性化を浮動小数点数から整数などの低ビット数で表現するプロセスで、これによってモデルのメモリ使用量を削減し、推論速度を向上させることができるものとなる。Quantization-Aware Trainingは、この量子化を訓練中にモデルに組み込むことで、訓練中に量子化の影響を考慮したモデルを得る手法の一つとなる。

FitNetによるモデルの蒸留の概要とアルゴリズム及び実装例について

FitNetによるモデルの蒸留の概要とアルゴリズム及び実装例について。FitNetは、モデルの蒸留（Distillation）手法の一つで、小規模な生徒モデルが大規模な教師モデルから知識を学習するための手法となる。FitNetは特に、異なるアーキテクチャを持つモデル同士の蒸留に焦点を当てている。以下に、FitNetによるモデルの蒸留の概要について述べる。

Attention Transferによるモデルの蒸留の概要とアルゴリズム及び実装例について

Attention Transferによるモデルの蒸留の概要とアルゴリズム及び実装例について。Attention Transferは、深層学習においてモデルの蒸留（Distillation）を行うための手法の一つであり、モデルの蒸留は、大規模で計算負荷の高いモデル（教師モデル）から小規模で軽量なモデル（生徒モデル）へ知識を転送するための手法となる。これにより、計算リソースやメモリの使用量を削減しつつ、生徒モデルが教師モデルと同様の性能を発揮できるようになる。

言語モデル・自然言語処理

トークン化・単語埋め込み

WordPieceの概要とアルゴリズム及び実装例について

WordPieceの概要とアルゴリズム及び実装例について。WordPieceは、自然言語処理（NLP）タスクで用いられるトークン化アルゴリズムの一つで、特に”BERTの概要とアルゴリズム及び実装例について“にも述べているBERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）などのモデルで広く採用されている手法となる。

GloVe（Global Vectors for Word Representation）の概要とアルゴリズム及び実装例について

GloVe（Global Vectors for Word Representation）の概要とアルゴリズム及び実装例について。GloVe（Global Vectors for Word Representation）は、単語の分散表現（word embeddings）を学習するためのアルゴリズムの一種となる。単語の分散表現は、単語を数値ベクトルとして表現する方法であり、自然言語処理（NLP）のタスクで広く使用されている。GloVeは、特に単語の意味を捉えるために設計されており、単語の意味的な関連性をキャプチャする能力に優れている。ここでは、このGloveに関しての概要、アルゴリズム及び実装例について述べている。

FastTextの概要とアルゴリズム及び実装例について

FastTextの概要とアルゴリズム及び実装例について。FastTextは、Facebookが開発した自然言語処理（NLP）のためのオープンソースのライブラリで、単語埋め込み（Word Embeddings）の学習とテキスト分類などのNLPタスクの実行に使用できるツールとなる。ここではこのFastTextのアルゴリズム及び実装例について述べている。

Skipgramの概要とアルゴリズム及び実装例

Skipgramの概要とアルゴリズム及び実装例。Skip-gramは、単語の意味をベクトル表現として捉え、類似性や意味の関連性を数値化することが可能な自然言語処理（NLP）の分野で広く使われる単語の分散表現（Word Embedding）を学習するための手法の一つで、”DeepWalkの概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているDeepWalkなどのGNNでも用いられるものとなる。

文脈を考慮した単語埋め込み

ELMo（Embeddings from Language Models）の概要とアルゴリズム及び実装について

ELMo（Embeddings from Language Models）の概要とアルゴリズム及び実装について。ELMo（Embeddings from Language Models）は、自然言語処理（NLP）の分野で利用される単語埋め込み（Word Embeddings）の方法の一つであり、2018年に提案され、その後のNLPタスクで大きな成功を収めたものとなる。ここでは、このELMoの概要とアルゴリズム及び実装例について述べている。

トランスフォーマー系モデル

BERTの概要とアルゴリズム及び実装例について

BERTの概要とアルゴリズム及び実装例について。BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）は、BERTは2018年にGoogleの研究者によって発表され、大規模なテキストコーパスを使って事前学習された深層ニューラルネットワークモデルであり、自然言語処理（NLP）の分野で非常に成功した事前学習モデルの一つとなる。ここでは、このBERTの概要とアルゴリズムおよび実装例について述べている。

GPTの概要とアルゴリズム及び実装例について

GPTの概要とアルゴリズム及び実装例について。GPT（Generative Pre-trained Transformer）は、オープンAIが開発した自然言語処理のための事前学習モデルであり、Transformerアーキテクチャを基にして、大規模なデータセットを使用して教師なし学習によって学習されるものとなる。

ULMFiT（Universal Language Model Fine-tuning）の概要とアルゴリズム及び実装例について

ULMFiT（Universal Language Model Fine-tuning）の概要とアルゴリズム及び実装例について。ULMFiT（Universal Language Model Fine-tuning）は、2018年にJeremy HowardとSebastian Ruderによって提案された、自然言語処理（NLP）タスクにおいて事前学習済みの言語モデルを効果的にファインチューニングするためのアプローチとなる。このアプローチは、転移学習と訓練の段階ごとのファインチューニングを組み合わせて、さまざまなNLPタスクで高い性能を達成することを目的としている。

Transformerモデルの概要とアルゴリズム及び実装例について

Transformerモデルの概要とアルゴリズム及び実装例について。Transformerは、2017年にVaswaniらによって提案され、機械学習と自然言語処理（NLP）の分野で革命的な進歩をもたらしたニューラルネットワークアーキテクチャの1つとなる。ここではこのTransformerモデルの概要とアルゴリズム及び実装について述べている。

トランスフォーマーXLの概要とアルゴリズム及び実装例について

トランスフォーマーXLの概要とアルゴリズム及び実装例について。「トランスフォーマーXL」は、自然言語処理（NLP）などのタスクで成功を収めた深層学習モデルであるトランスフォーマー（Transformer）の拡張バージョンの一つとなる。トランスフォーマーXLは、文脈の長期依存関係をより効果的にモデル化することを目指して設計されており、過去のトランスフォーマーモデルよりも長いテキストシーケンスを処理できるようになっている。

Transformer-based Causal Language Modelの概要とアルゴリズムおよび実装例について

Transformer-based Causal Language Modelの概要とアルゴリズムおよび実装例について。Transformer-based Causal Language Model（Transformativeベースの因果言語モデル）は、自然言語処理（NLP）タスクで非常に成功しているモデルの一種で、“Transformerモデルの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べているTransformerアーキテクチャをベースにして、特に文章の生成タスクに適したものとなる。以下にTransformer-based Causal Language Modelの概要について述べる。

Relative Positional Encodingの概要とアルゴリズム及び実装例

Relative Positional Encodingの概要とアルゴリズム及び実装例。Relative Positional Encoding（RPE）は、トランスフォーマー・アーキテクチャを使用するニューラルネットワークモデルにおいて、単語やトークンの相対的な位置情報をモデルに組み込むための手法となる。トランスフォーマーは、自然言語処理や画像認識などの多くのタスクで非常に成功しているが、トークン間の相対的な位置関係を直接モデリングするのは得意ではない。そのため、相対的な位置情報をモデルに提供するためにRPEが使用されている。

Seq2Seq（Sequence-to-Sequence）系モデル

Seq2Seq（Sequence-to-Sequence）モデルの概要とアルゴリズム及び実装例について

Seq2Seq（Sequence-to-Sequence）モデルの概要とアルゴリズム及び実装例について。Seq2Seq（Sequence-to-Sequence）モデルは、系列データを入力として取り、系列データを出力するための深層学習モデルであり、特に、異なる長さの入力系列と出力系列を扱うことができるアプローチとなる。Seq2Seqモデルは、機械翻訳、文章の要約、対話システムなど、さまざまな自然言語処理タスクで広く利用されている手法となる。

Pointer-Generatorネットワークの概要とアルゴリズムおよび実装例について

Pointer-Generatorネットワークの概要とアルゴリズムおよび実装例について。Pointer-Generatorネットワークは、自然言語処理（NLP）のタスクで使用される深層学習モデルの一種であり、特に、抽象的な文章生成、要約、文書からの情報抽出などのタスクに適した手法となる。このネットワークは、文章を生成する際に、元の文書からのテキストの一部をそのままコピーすることができる点が特徴となる。

時系列予測

Temporal Fusion Transformerの概要とアルゴリズム及び実装例

Temporal Fusion Transformerの概要とアルゴリズム及び実装例。Temporal Fusion Transformer (TFT) は、複雑な時系列データを扱うために開発されたディープラーニングモデルで、リッチな時間的依存関係をキャプチャし、柔軟な不確実性の定量化を可能にするための強力なフレームワークを提供するものとなる。

生成モデル（GAN・深層生成）

GANの概要と様々な応用および実装例について

GANの概要と様々な応用および実装例について。GAN（Generative Adversarial Network）は、生成的敵対的ネットワークと呼ばれる機械学習のアーキテクチャとなる。このモデルは、2014年にイアン・グッドフェローによって提案され、その後多くの応用で大きな成功を収めている。ここでは、このGANの概要とアルゴリズムおよび様々な応用実装について述べている。

AnoGANの概要とアルゴリズム及び実装例

AnoGANの概要とアルゴリズム及び実装例。AnoGAN (Anomaly GAN) は、異常検知のために Generative Adversarial Network (GAN) を活用する手法であり、特に、医療画像や製造業の品質検査などでの異常検知に適用されるものとなる。AnoGAN は、正常データのみを学習し、異常データの発見に利用する異常検知手法で、従来の GAN (Goodfellow et al., 2014) をベースに、Generator (G) と Discriminator (D) を訓練し、正常データの特徴を捉えた生成モデルを構築している。

Efficient GANの概要とアルゴリズム及び実装例

Efficient GANの概要とアルゴリズム及び実装例。Efficient GAN は、従来の Generative Adversarial Networks (GANs) の課題である計算コストの高さ、学習の不安定性、モード崩壊 (mode collapse) を改善するための手法で、特に画像生成、異常検知、低リソース環境での適用において効率的な学習と推論を可能にするものとなる。

Self-Attention GANの概要とアルゴリズム及び実装例

Self-Attention GANの概要とアルゴリズム及び実装例。Self-Attention GAN (SAGAN) は、生成モデルの一種で、特に画像生成において重要な技術を提供するために、Self-Attention機構を導入したGenerative Adversarial Network（GAN）の一形態で、SAGANは、生成された画像の詳細な局所的な依存関係をモデル化することに特化したものとなっている。

DCGANの概要とアルゴリズム及び実装例

DCGANの概要とアルゴリズム及び実装例。DCGANは、Generative Adversarial Network (GAN) の一種で、画像生成に特化した深層学習モデルとなっている。GANは、2つのネットワーク「生成器 (Generator)」と「識別器 (Discriminator)」を使って、生成モデルを学習させる方法だが、DCGANはそのGANのアーキテクチャに特化した改良を加えている。

SNGAN (Spectral Normalization GAN)の概要とアルゴリズム及び実装例

SNGAN (Spectral Normalization GAN)の概要とアルゴリズム及び実装例。SNGAN（Spectral Normalization GAN）は、”GANの概要と様々な応用および実装例について“で述べているGAN（Generative Adversarial Network）の訓練を安定化させるためにスペクトル正規化（Spectral Normalization）を導入した手法で、特に識別(Discriminator)の重み行列に対してスペクトル正規化を適用することで、勾配爆発や勾配消失を抑え、学習を安定化させることを目的としたアプローチとなる。

BigGANの概要とアルゴリズム及び実装例

BigGANの概要とアルゴリズム及び実装例。BigGANは、Google DeepMindの研究者によって提案された高解像度・高品質な画像生成が可能なGAN（Generative Adversarial Network）で、特に、大規模なデータセット（ImageNetなど）での学習と、”GANの概要と様々な応用および実装例について“で述べている従来のGANよりも大きなバッチサイズを利用することで、高精細な画像生成を実現したものとなる。

SkipGANomalyの概要とアルゴリズム及び実装例

SkipGANomalyの概要とアルゴリズム及び実装例。SkipGANomaly は、異常検知（Anomaly Detection）を目的とした “GANの概要と様々な応用および実装例について“で述べているGANベースの手法で、通常の GANomaly を改良し、スキップ接続（skip connections）を導入することで、異常検知の性能を向上させたものとなる。

GAN(Generative Adversarial Network)を用いた因果探索

GAN(Generative Adversarial Network)を用いた因果探索。GAN (Generative Adversarial Network) を用いた因果探索は、生成モデルと識別モデルの対立する訓練プロセスを活用し、因果関係を発見する方法となる。以下に、GANを用いた因果探索の基本的な概念と手法を示す。

条件付き生成モデル(Conditional Generative Models)の概要と実装例

条件付き生成モデル(Conditional Generative Models)の概要と実装例。条件付き生成モデル(Conditional Generative Models)は、生成モデルの一種であり、特定の条件を与えた場合にデータを生成する能力を持つモデルとなる。条件付き生成モデルは、与えられた条件に基づいてデータを生成することができるため、多くの応用分野で重要な役割を果たしている。ここでは、この条件付き生成モデルに関して様々なアルゴリズムと具体的な実装について述べている。

画像認識・コンピュータビジョン

PSPNet(Pyramid Scene Parsing Network)の概要とアルゴリズム及び実装例

PSPNet(Pyramid Scene Parsing Network)の概要とアルゴリズム及び実装例。PSPNet（Pyramid Scene Parsing Network）は、シーン解析タスク、特にセマンティックセグメンテーションにおいて高い精度を実現するために提案されたディープラーニングモデルで、PSPNetは、視覚的な情報をより豊かに理解するために、複数の解像度でシーンを解析するというアイデアを採用している。これにより、局所的および広範な文脈情報を同時に取り入れることができ、精度の高いシーン解析を行うことが可能となる。

ECO(Efficient Convolution Network for Online Video Understanding)の概要とアルゴリズム及び実装例

ECO(Efficient Convolution Network for Online Video Understanding)の概要とアルゴリズム及び実装例。ECO（Efficient Convolutional Network for Online Video Understanding）は、オンライン動画理解のために設計された、効率的な畳み込みニューラルネットワーク（CNN）ベースのモデルであり、従来の3D CNNモデルの計算コストを削減しつつ、高い性能を維持するものとなる。

OpenPoseの概要とアルゴリズム及び実装例

OpenPoseの概要とアルゴリズム及び実装例。OpenPoseは、カーネギーメロン大学のペルソナ・コンピュータ・センター（Perceptual Computing Lab）によって開発された、リアルタイムで人間の姿勢を検出するライブラリで、人間の体、顔、手、足の位置を3Dまたは2Dで正確に推定することができるものとなる。この技術は、コンピュータビジョンやモーションキャプチャ、エンターテイメント、ヘルスケア、ロボティクスなど、さまざまな分野で広く使用されている。

多クラス物体検出モデルの概要とアルゴリズム及び実装例について

多クラス物体検出モデルの概要とアルゴリズム及び実装例について。多クラス物体検出モデルは、画像やビデオフレーム内の複数の異なるクラス（カテゴリ）の物体を同時に検出し、それらの物体の位置を境界ボックスで囲むタスクを実行するための機械学習モデルとなる。多クラス物体検出は、コンピュータビジョンや物体認識の重要なアプリケーションで使用され、自動運転、監視、ロボティクス、医療画像解析などのさまざまな分野で応用されている。

物体検出モデルへの位置情報をリファインするヘッド（例：回帰ヘッド）の追加について

物体検出モデルへの位置情報をリファインするヘッド（例：回帰ヘッド）の追加について。物体検出モデルに位置情報をリファインするためのヘッド（例：回帰ヘッド）を追加することは、物体検出の性能向上に非常に重要なアプローチとなる。このヘッドは、物体のバウンディングボックスの座標やサイズを調整し、検出された物体をより正確に位置づけるのに役立つ。

画像検出でのイメージピラミッドや高解像度特徴マップによる小さい物体の検出について

画像検出でのイメージピラミッドや高解像度特徴マップによる小さい物体の検出について。画像検出において、小さい物体の検出は一般的に難しい課題となる。小さい物体はピクセル数が少ないため、特徴が不明瞭で、通常の解像度の特徴マップでは捉えにくいことがあり、このような場合、イメージピラミッドと高解像度特徴マップを使用することが効果的なアプローチとなる。

深層学習（DNN・RNN・CNN）

ニューラルネットワーク基礎

ニューラルネットワークのHello World、MNISTデータによる手書き認織の実装

ニューラルネットワークのHello World、MNISTデータによる手書き認織の実装。深層学習技術のhello worldとして、pyhton/KeraによるMNISTデータの手書き認識技術の具体的な実装と評価

ニューラルネットワークでの数学的要素(1) テンソルのnumpy等による操作

ニューラルネットワークでの数学的要素(1) テンソルのnumpy等による操作。今回は、ニューラルネットワークでの数学的要素であるテンソルのnumpyによる操作について述べる。一般に、現在の機械学習システムはすべて、基本的なデータ構造としてテンソルを使用する。テンソルは基本的には、データのコンテナ(入れ物)となる。ほとんどの場合、テンソルは数値データとなる。従ってテンソルは数値のコンテナとなる。

テンソルは以下に示す3つの主な属性により定義される。(1)軸の数(階数):たとえば3次元テンソルの軸は3であり、行列の軸は2となる。NumpyなどのPythonライブラリでは、軸の数をテンソルのndim属性と呼ぶ、(2)形状:テンソルの各軸にそった次元の数を表す整数のタプル、例えば前述の例では、行列の形状は(3,5)であり、3次元テンソルの形状は(3,3,5)となる。ベクトルの形状は(5,)のように単一の要素で表されるが、スカラーの形状は空([])となる、(3)データ型:テンソルに含まれているデータの型。Pythonライブラリでは、通常はdtypeで表される。例えばテンソルの型はfloat32、uint8、float64などになる。まれにchar型のテンソルが使用されることもある。Numpyをはじめとするほとんどのライブラリでは、文字列型のテンソルは存在しないことに注意が必要となる。文字列は可変長であり、そのような実装は不可能だからである。

ニューラルネットワークでの数学的要素(2) 確率的勾配降下法と誤差逆伝搬法

ニューラルネットワークでの数学的要素(2) 確率的勾配降下法と誤差逆伝搬法。テンソルを使った確率的勾配降下法と誤差逆伝播法について述べる。

畳み込みニューラルネットワーク（CNN）

CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について

CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について。CNN（Convolutional Neural Network）は、主に画像認識、パターン認識、画像生成などのコンピュータビジョンタスクに使用される深層学習モデルとなる。ここではこのCNNに関しての概要と実装例について述べている。

DenseNetについて

DenseNetについて。DenseNet（Densely Connected Convolutional Network）は、2017年にGao Huang、Zhuang Liu、Kilian Q. Weinberger、およびLaurens van der Maatenによって提案された”CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べている深層畳み込みニューラルネットワーク（CNN）のアーキテクチャとなる。DenseNetは、畳み込みニューラルネットワークの訓練中に「密な（dense）」接続を導入することで、深層ネットワークの訓練の効率性を向上させ、勾配消失問題を軽減している。

ResNet (Residual Network)について

ResNet (Residual Network)について。ResNetは、2015年にKaiming Heらによって提案された”CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べている深層畳み込みニューラルネットワーク（CNN）のアーキテクチャであり、ResNetは、非常に深いネットワークを効果的に訓練するための革新的なアイデアを導入し、コンピュータビジョンタスクにおいて驚異的な性能を達成したアプローチとなる。

GoogLeNet (Inception)について

GoogLeNet (Inception)について。GoogLeNetは、Googleが2014年に発表した”CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べている畳み込みニューラルネットワーク（CNN）のアーキテクチャとなる。このモデルは、ImageNet Large Scale Visual Recognition Challenge（ILSVRC）などのコンピュータビジョンタスクにおいて、当時の最先端の性能を達成しており、GoogLeNetは、その特異なアーキテクチャとモジュール構造で知られいる。

VGGNetについて

VGGNetについて。VGGNet（Visual Geometry Group Network）は、2014年に開発された”CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べている畳み込みニューラルネットワーク（CNN）のモデルで、コンピュータビジョンタスクにおいて高い性能を達成したものとなる。VGGNetは、University of OxfordのVisual Geometry Groupに所属する研究者によって提案されている。

AlexNetについて

AlexNetについて。AlexNet（アレックスネット）は、2012年に提案されたディープラーニングモデルの一つであり、コンピュータビジョンタスクにおいて画期的な進歩をもたらした手法となる。AlexNetは、”CNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べている畳み込みニューラルネットワーク（Convolutional Neural Network、CNN）の一つで、主に画像認識タスクに使用される。

時系列データ・リカレントニューラルネットワーク（RNN）

RNNの概要とアルゴリズム及び実装例について

RNNの概要とアルゴリズム及び実装例について。RNN（Recurrent Neural Network）は、時系列データやシーケンスデータをモデル化するためのニューラルネットワークの一種であり、過去の情報を保持し、新しい情報と組み合わせることができるため、音声認識、自然言語処理、動画解析、時系列予測など、さまざまなタスクで広く使用されているアプローチとなる。

LSTMの概要とアルゴリズム及び実装例について

LSTMの概要とアルゴリズム及び実装例について。LSTM（Long Short-Term Memory）は、再帰型ニューラルネットワーク（RNN）の一種であり、主に時系列データや自然言語処理（NLP）のタスクにおいて非常に効果的な深層学習モデルとなる。LSTMは、過去の情報を保持し、長期的な依存関係をモデル化することができるので、短期的な情報だけでなく、長期的な情報を学習するのに適した手法となる。

Bidirectional LSTMの概要とアルゴリズム及び実装例について

Bidirectional LSTMの概要とアルゴリズム及び実装例について。Bidirectional LSTM（Long Short-Term Memory）は、リカレントニューラルネットワーク（RNN）の一種であり、時系列データや自然言語処理などのシーケンスデータに対するモデリングに広く使用されている手法となる。Bidirectional LSTMは、シーケンスデータを過去から未来方向へと同時に学習し、そのコンテキストをより豊かに捉えることができる特徴がある。

GRUの概要とアルゴリズム及び実装例について

GRUの概要とアルゴリズム及び実装例について。GRU（Gated Recurrent Unit）は、”RNNの概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べている再帰型ニューラルネットワーク（RNN）の一種で、特に時系列データやシーケンスデータの処理に広く使用される深層学習モデルとなる。GRUは”LSTMの概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているLSTM（Long Short-Term Memory）と同様に長期的な依存関係をモデル化するために設計されているが、LSTMよりも計算コストが低いことが特徴となる。

Bidirectional RNN（BRNN）について

Bidirectional RNN（BRNN）について。Bidirectional Recurrent Neural Network（BRNN）は、再帰型ニューラルネットワーク（RNN）の一種で、過去と未来の情報を同時に考慮することができるモデルとなる。BRNNは、特にシーケンスデータを処理する際に有用で、自然言語処理や音声認識などのタスクで広く使用されている。

Deep RNNについて

Deep RNNについて。Deep RNN（Deep Recurrent Neural Network）は、再帰型ニューラルネットワーク（RNN）の一種で、複数のRNN層を積み重ねたモデルとなる。Deep RNNは、シーケンスデータの複雑な関係をモデル化し、より高度な特徴表現を抽出するのに役立ち、通常、Deep RNNは時間方向に多層で積み重ねられたRNNレイヤーから構成されている。

Stacked RNNについて

Stacked RNNについて。Stacked RNN（スタックされた再帰型ニューラルネットワーク）は、再帰型ニューラルネットワーク（RNN）の一種で、複数のRNN層を積み重ねて使用するアーキテクチャであり、より複雑なシーケンスデータのモデリングが可能になり、長期依存性を効果的にキャプチャできるようになる手法となる。

時空間ディープラーニングの概要とアルゴリズム及び実装例

時空間ディープラーニングの概要とアルゴリズム及び実装例。時空間ディープラーニング（Spatiotemporal Deep Learning）は、空間的および時間的なパターンを同時に学習するための機械学習技術であり、空間的な情報（位置や構造）と時間的な情報（時間的変化や遷移）を組み合わせて解析するため、特に時間と空間に関連する複雑なデータに対して効果的なアプローチとなる。

ST-CNNの概要とアルゴリズム及び実装例

ST-CNNの概要とアルゴリズム及び実装例。ST-CNN（Spatio-Temporal Convolutional Neural Network）は、時空間データ（例えば、動画、センサーデータ、時系列画像など）を処理するために設計された畳み込みニューラルネットワーク（CNN）の一種で、従来のCNNを拡張して、空間的（Spatio）および時間的（Temporal）特徴を同時に学習することが目的の手法となる。

3DCNNの概要とアルゴリズム及び実装例

3DCNNの概要とアルゴリズム及び実装例。3DCNN（3次元畳み込みニューラルネットワーク：3D Convolutional Neural Network）は、主に時空間データや3次元の特徴を持つデータを処理するための深層学習モデルの一種であり、画像データを扱う2DCNN（2次元畳み込みニューラルネットワーク）の拡張で、3次元空間における特徴抽出を行う点が特徴的な手法となる。

リザーバーコンピューティング

リザーバーコンピューティングについて

リザーバーコンピューティングについて。リザーバーコンピューティング（Reservoir Computing、RC）は、リカレントニューラルネットワーク（RNN）の一種で、特に時系列データの処理において効果を発揮する機械学習手法となる。この手法は、ネットワークの一部（リザーバー）をランダムに接続された状態にしておくことで、複雑な動的パターンの学習を簡素化している。

Echo State Network (ESN)について

Echo State Network (ESN)について。Echo State Network（ESN）は、リザーバーコンピューティングの一種で、時系列データやシーケンスデータの予測、分析、パターン認識などに使用されるリカレントニューラルネットワーク（RNN）の一種となる。ESNは、非常に効率的で簡単に訓練でき、さまざまなタスクで良好な性能を発揮することがある。

グラフニューラルネットワーク（GNN）

GNNにおける敵対的攻撃モデルの概要とアルゴリズム及び実装例

GNNにおける敵対的攻撃モデルの概要とアルゴリズム及び実装例。敵対的攻撃(Adversarial Attack)は、機械学習モデルに対する攻撃手法の一つであり、特に画像やテキスト、音声などの入力データに対して広く用いられるものとなる。敵対的攻撃は、わずかな摂動(ノイズや操作)を加えることにより、機械学習モデルの誤認識を引き起こすことを目的としている。このような攻撃は、セキュリティの脆弱性を明らかにし、モデルのロバスト性を評価するのに役立つ

物理シミュレーションに用いられるGraphNetworksの概要とアルゴリズム及び実装例

物理シミュレーションに用いられるGraphNetworksの概要とアルゴリズム及び実装例。物理シミュレーションにおけるGraph Networksの応用は、複雑な物理システムを効率的かつ高精度にモデル化するための強力な手法となる。

Graph Network-based Simulatorsの概要とアルゴリズム及び実装例

Graph Network-based Simulatorsの概要とアルゴリズム及び実装例。Graph Network-based Simulators（GNS）は、物理シミュレーションを行うための強力なツールで、グラフネットワークを用いて物理システムの動的挙動を予測するものとなる。GNSは、シミュレーションの精度と効率を向上させるために設計されており、複雑な相互作用を持つ多くの物理システムに適用することができる。

物理シミュレーションに用いられるInteraction Networksの概要と関連アルゴリズム及び実装例

物理シミュレーションに用いられるInteraction Networksの概要と関連アルゴリズム及び実装例。Interaction Networks（INs）は、物理シミュレーションや他の科学的応用に使用される、グラフ構造を持つデータ間の相互作用をモデル化するためのネットワークアーキテクチャとなる。INsは、物理法則やデータの相互作用をモデル化することができる。

MeshGraphNetsの概要とアルゴリズム及び実装例

MeshGraphNetsの概要とアルゴリズム及び実装例。MeshGraphNetsは、物理シミュレーションに特化したグラフニューラルネットワーク（GNN）の一種で、特にメッシュベースの表現を用いたシミュレーションに優れてたもので、MeshGraphNetsは、三角形や四面体といったメッシュ要素をグラフのノードとエッジとして表現し、その上で物理的なシミュレーションを行うことが可能な手法となる。

プロンプトエンジニアリング・LLMファインチューニング

プロンプトエンジニアリングの概要とその利用について

プロンプトエンジニアリングの概要とその利用について。「プロンプトエンジニアリング（Prompt Engineering）」は、自然言語処理や機械学習モデルの開発において、与えられたテキストプロンプト（指示文）を工夫し、特定のタスクや目的に最適な応答を引き出す技術や手法を指す。これは、OpenAIのGPT（Generative Pre-trained Transformer）などの大規模な言語モデルを使用する場合に特に有用なアプローチとなる。プロンプトエンジニアリングの基本的な考え方は、モデルに対して適切な質問や指示を与えることで、より良い結果を得るという点にある。プロンプトはモデルへの入力として機能し、その選択や表現はモデルの出力に影響を与える。

DeepPromptの概要とその利用について

DeepPromptの概要とその利用について。DeepPromptは、OpenAIが提供するプログラミング支援ツールの1つで、自然言語処理（NLP）モデルを使用して、プログラミングに関する質問やタスクに対する自動コード生成をサポートするプログラミング支援ツールとなる。DeepPromptは、プログラミング言語の構文やセマンティクスを理解し、ユーザーが自然言語で指示を与えると、適切なコードを生成することができる。

OpenAI Codexの概要とその利用について

OpenAI Codexの概要とその利用について。OpenAI Codexは、テキストからコードを生成するための自然言語処理モデルで、Codexは、GPTシリーズのモデルをベースにしており、大規模なプログラミングコーパスでトレーニングされたものとなる。Codexは、プログラミング言語のシンタックスとセマンティクスを理解し、自然言語で与えられたタスクや質問に対して、適切なプログラムを生成することができる。

ChatGPTとLangChainの概要及びその利用について

ChatGPTとLangChainの概要及びその利用について。LangChainは、言語モデルを使ったアプリケーションを開発するのを助けるライブラリであり、ChatGPTやその他の生成モデルを使った様々なアプリケーションを構築することが可能なプラットフォームとなる。LangChainの目的の一つは、ChatGPTのような言語モデルではできないタスク、例えば言語モデルが学習した知識の範囲外の情報についての回答や、論理的に複雑なタスク、あるいは計算が必要なタスクなどに対応できるようにすることであり、もう一つは、フレームワークとして整備することとなる。

LangChainにおけるAgentとToolについて

LangChainにおけるAgentとToolについて。”ChatGPTとLangChainの概要及びその利用について“で述べたLangChainについて引き続き述べる。前回は、ChatGPTとそれを利用するフレームワークであるLangChainの概要について述べた。今回は、自律的に外部と干渉して言語モデルの限界を超える機能を持つAgentについて述べたいと思う。

大規模言語モデルのファインチューニングとRLHF(Reinforcement Learning from Human Feedback)

大規模言語モデルのファインチューニングとRLHF(Reinforcement Learning from Human Feedback)。大規模言語モデルのファインチューニングとは、事前に大規模なデータセットで訓練されたモデルに対して、追加の学習を行うもので、汎用性の高いモデルを特定のタスクやドメインに適用することを可能にし、精度やパフォーマンスの向上を実現させることを目的としたものとなる。

LoRAによるLLMのファインチューニングの概要と実装例について

LoRAによるLLMのファインチューニングの概要と実装例について。LoRA（Low-Rank Adaptation）は、大規模な事前学習済みモデル(LLM)のファインチューニングに関連する技術で、2021年にMicrosoftに所属していたEdward Huらによって論文「LoRA: Low-Rank Adaptation of Large Language Models」で発表されたものとなる。

Self-Refineの概要と関連アルゴリズム及び実装例

Self-Refineの概要と関連アルゴリズム及び実装例。Self-Refineは、FeedbackとRefineの2つのコンポーネントによる反復ループで構成し、これらのコンポーネントが連携して高品質なアウトプットを生成する。モデルが生成した最初の出力案があると、それをFeedbackとRefineの2つのコンポーネントを何度も行き来し、何度も繰り返し改良する。このプロセスは、指定された回数、あるいはモデル自身がこれ以上の改良は必要ないと判断するまで、繰り返し行われる。

DPRとHugging Face TransformerDPRを組み合わせたRAGの概要と実装

DPRとHugging Face TransformerDPRを組み合わせたRAGの概要と実装。DPR（Dense Passage Retrieval）は、自然言語処理（NLP）の分野で使用される検索技術の一つで、DPRは、特に大規模な情報源から情報を取得し、その情報源に対する質問に最適な回答を見つけることを目的としたものとなる。

ChatGPTやLanChainを用いたRAGの概要と実装例について

ChatGPTやLanChainを用いたRAGの概要と実装例について。RAGの基本構成は、入力QueryをQuery Encoderでベクトル化し、それと類似のベクトルを持つDocumnetを見つけ、それらを使って応答を生成するもので、Query EncoderとDocumentのベクトル化と、回答の生成に生成系AI(ChatGPT)を用い、ベクトル化したDocumentの格納と類似文書の検索にはベクトルDBを用いるものとなる。それらの機能の中で、生成系AIに関しては”ChatGPTとLangChainの概要及びその利用について“に述べているように、ChatGPTのAPIを用いるかLanChainを用い、データベースに関しては”ベクトルデータベースの概要について“を用いることが一般的となる。今回はそれらを用いた具体的な実装について述べる。

Huggingfaceを使った文自動生成の概要

Huggingfaceを使った文自動生成の概要。Huggingfaceは、機械学習と自然言語処理(NLP)に関するオープンソースのプラットフォームとライブラリを提供している企業であり、Huggingfaceでは、Transformerモデルを中心としたNLPタスクのための高度なモデルやツールが開発されている。Huggingfaceが提供するツールやリソースは、オープンソースコミュニティによって支えられており、そこではコードやモデルの共有に積極的な取り組みが行われている。ここではHuggingface Transformersと文書生成、pythonによる実装について述べる。

Python・機械学習環境

macでのpython開発環境とtensflowパッケージ導入

macでのpython開発環境とtensflowパッケージ導入

tensorflowとKerasとpytorchの比較

tensorflowとKerasとpytorchの比較。深層学習のオープンソースフレームワークであるtensorflow、Kreasとpyhorchの比較を行なっている。

python Kerasの概要と基本的な深層学習タスクへの適用例

python Kerasの概要と基本的な深層学習タスクへの適用例。ここではpython Kerasの概要と基本的な深層学習タスク(MINISTを用いた手書き文字認織、Autoencoder、CNN、RNN、LSTM)への具体的な適用例について述べている。

pytorchの概要と環境設定及び実装例

pytorchの概要と環境設定及び実装例。PyTorchは、Facebookが開発しオープンソースで提供されている深層学習のライブラリであり、柔軟性、動的計算グラフ、GPU加速などの特徴を持ち、様々な機械学習タスクを実装を可能としてくれるものとなる。以下に、PyTorchを用いたさまざまな実装例について述べる。

Python・Kerasを用いた深層学習応用

深層学習の基礎

pythonとKerasによるディープラーニングディープラーニングとは何か

pythonとKerasによるディープラーニングディープラーニングとは何か。人工知能の定義を「本来ならば人が行う知的な作業を自動化する取り組み」とする。この概念は学習とは無関係な多くのアプローチを含んでいる。例えば初期のチェスプログラムは、プログラマーによりハードコーディングされたルールを組み込んでいるだけで、機械学習とは呼べものではない。

かなり長い間、多くの専門家は「人間に匹敵するレベルのAIを実現するには、知識を操作するのに十分な大量のルールを明示的に定義して、プログラマが手作業で組み込む必要がある」と考えていたが、画像分類、音声認識、言語の翻訳のように、より複雑でファジーな問題を解くための明示的なルールを突き止めるのは到底無理で、それらに変わる新しいアプローチとして、機械学習が生まれた。

機械学習のアルゴリズムは、期待されるもののサンプルを機械学習に与えると、データ処理タスクを実行するためのルールが抽出されるものとなる。機械学習とディープラーニングでは「データを意味のある形で変換すること」が主な課題となる。つまり、機械学習は与えられた入力データから有益な表現(representation)を学習する。それらの表現は、期待される出力に近づくためのものとなる。

pythonとKerasによるディープラーニング深層学習の方法論

pythonとKerasによるディープラーニング深層学習の方法論。教師なし学習について述べる。このカテゴリに分類される機械学習では、目的値の値を借りずに、入力データの重要な変換を見つけ出す。教師なし学習は、データの可視化、データの圧縮、データのノイズ除去が目的のこともあれば、データによって表される相関関係への理解を深めることが目的のこともある。教師なし学習は、データ解析に不可欠なものであり、教師あり学習の問題を解決する前にデータセットへの理解を深めるために必要になることもよくある。

教師なし学習では、次元削減(dimensionallity reduction)とクラスタリング(clustering)の2つのカテゴリがよく知られている。さらにオートエンコーダー(autoencoder)のような自己学習もある。

また過学習と学習不足、正則化やドロップアウトによる計算の効率化/最適化についても述べている。

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (1) Kerasの使い方概要

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (1) Kerasの使い方概要。具体的なKerasのワークフロー(1)訓練データ(入力テンソルと目的テンソル)を定義する、(2)入力値を目的値にマッピングする複数の層からなるネットワーク(モデル)を定義する、(3)損失関数、オプティマイザ、監視する指標を選択することで、学習プロセスを設定する、(4)モデルのfitメソッドを呼び出すことで、訓練データを繰り返し学習する、について述べ、具体的な問題を解く。

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(1) Keras Functional APIによる複雑なネットワークの構築

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(1) Keras Functional APIによる複雑なネットワークの構築。今回はより高度なディープラーニングのベストプラクティスとしてKeras Functional APIを用いた複雑なネットワークモデルの構築について述べる。

古着の市場価格を予測するディープラーニングモデルを考えた時、このモデルの入力は、ユーザーが提供するメタデータ(商品のブランドや何年まえのものかなど)、ユーザーが提供するテキストの説明、そして商品の写真などがある。これらを使ったマルチモーダルなモデル。

タスクによっては、入力データから複数の目的属性を予測しなければならないことがある。長編小説や短編小説のテキストがあったとき、この小説をジャンル別に分類したいが、その小説がいつ頃執筆されたかも予測したいと木に必要なマルチ出力のモデル。

あるいは上記を組み合わせたものに対して、KerasでのFunctional APIを用いることでフレキシブルなモデルを構築することができる。

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(2) KerasのコールバックとTensorBordを使ったモデルの監視

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(2) KerasのコールバックとTensorBordを使ったモデルの監視。今回は訓練中にモデル内で起きていることを監視する手法とDNNの最適化について述べる。モデルを訓練する際には、検証データでの損失値を最適化するためにエポックが幾つ必要なのか等の最初から予測しておくことが困難なことが多々ある。

このエポックに対して、検証データでの損失値の改善が認められなくなった時点で訓練を中止できれば、より効果的なタスクを行うことができる。これを可能にするのがKerasのコールバック(callback)となる。

TensorBoardはTensoFlowに含まれているブラウザベースの可視化ツールとなる。なお、TensorBoardを利用できるのは、KerasのバックエンドとしてTensorFlowを使用している時に限られる。

TensorBoardの主な目的は、訓練中にモデルの内部で起きていることをすべて視覚的に監視できるようにするとこで、モデルの最終的な損失以外の情報も監視している場合は、モデルが行なっていることと行なっていないことをより見通せるようになり、すばやく全身できるようになる。TesorBoeadの機能を以下のようになる(1)訓練中に指標を視覚的に監視、(2)モデルのアーキテクチャの可視化、(3)活性化と勾配のヒストグラムの可視化、(4)埋め込みを3次元で調査

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(3) モデルの最適化の手法

pythonとKerasによる高度なディープラーニング(3) モデルの最適化の手法。今回はモデルの最適化の手法について述べる。

とりあえず動くものがあればそれで良いという場合には、アーキテクチャをやみくもに試してもそれなりにうまくいく。ここでは、うまくいくことに甘んじるのではなく、機械学習コンペに勝つほどうまくいくためのアプローチについて述べる。

まず、前述した残差接続以外の重要な設計パターンとして「正規化」「dw畳み込み」について述べる。これらのパターンが重要になるのは、高性能なディープ畳み込みニューラルネットワーク(DCNN)を構築している場合となる。

ディープラーニングモデルを構築する時には、個人の裁量にも思えるさまざまな決定を下す必要がある。具体的には、スタックの層の数はいくつにすればよいのか?各層のユニットやフィルタの数は幾つにすれば良いのか?活性化関数としてどのような関数を使うべきなのか?ドロップアウトはどれくらい使用すれば良いのか?等がある。こうしたアーキテクチャレベルのパラメータは、ばックプロパゲーション(誤差逆伝搬法)を通じて訓練されるモデルのパラメータと区別するために、ハイパーパラメータ(hyperparameter)と呼ばれる。

最善の結果を得るためのもう一つの強力な手法は、モデルのアンサンブル(model ensembling)となる。アンサンブルは、よりよい予測値を生成するために、さまざまなモデルの予測値をプーリングする、というものになる。

コンピュータビジョン

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(1) 畳み込みとプーリング

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(1) 畳み込みとプーリング。今回は畳み込みニューラルネットワーク(CNN)について述べる。CNNはコンピュータービジョンのアプリケーションにおいてほぼ例外なく使用されているディープラーニングモデルであり、cnvnetとも呼ばれる。ここでは、MNISTの手書き文字認識としての画像分類問題にCNNを適用する方法について述べる。

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(2) 少量データでのデータ拡張によるCNNの改善

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(2) 少量データでのデータ拡張によるCNNの改善。小さなデータセットにディープラーニングを適用するための基本的な手法をさらに2つ適用する。一つは学習済みのモデルによる特徴抽出であり、これにより正解率が90%から96%に改善される。もう一つは、学習済みのモデルのファインチューニングであり、これにより、最終的な正解率は97%になる。これら3つの戦略(小さなモデルを1から訓練、学習済みモデルを使った特徴抽出、学習済みモデルのファインチューニング)は、小さなデータセットを使って無象分類するときの小道具の一つとなる。

今回使用するデータセットは、Dogs vs Catsデータセットで、Kerasではパッケージ化されていない。このデータセットはKaggleの2013年後半のコンピュータービジョンこんぺで提供されたものになる。元のデータセットはKaggleのWebページからダウンロードされる。

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(3) 学習済みモデルを用いたCNNの改善

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(3) 学習済みモデルを用いたCNNの改善。今回は学習済みモデルを利用したのCNNの改善について述べる。学習済みモデルとして2014年に、Karen SimonyanとAndrew Zissermanらによって開発されたVGG16アーキテクチャについて述べる。VGG16は、に動物や日常的なものを表すクラスで構成されている学習済みモデルであるImageNetで広く使用されているシンプルなCNNアーキテクチャとなる。VGG16は古いモデルで、最先端のモデルには遠く及ばず、最新の多くのモデルよりも少し重いものとなる。

学習済みのネットワークを使用する方法には、特徴抽出(feature extraction)とファインチューニング(fine-tuning)の2つがある。

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(4) CNN学習データの可視化

pythonとKerasによるコンピュータービジョンのためのディープラーニング(4) CNN学習データの可視化。CNNによって学習された表現は、それらが「視覚概念の表現」であるため、可視化に非常に適している。2013年以降、それらの表現を可視化/解釈するための手法は幅広く開発されている。今回はそれらの中で最も利用しやすく有益なものを3つ取り上げる。

(1)CNNの中間出力(中間層の活性化)の可視化:CNNの一連の層によって入力がどのように変換されるかを理解し、CNNの個々のフィルタの意味を理解するものとなる。(2)CNNのフィルタの可視化:CNNの各フィルタが受け入れる視覚パターンや視覚概念がどのようなものであるかを把握できる。(3)画像におけるクラス活性化のヒートマップの可視化:画像のどの部分が特定のクラスに属しているかを理解でき、それにより、画像内のオブジェクトを局所化できるようになる。

テキスト・シーケンス処理

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (2) 実際の適用例(1)テキストデータの2クラス分類

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (2) 実際の適用例(1)テキストデータの2クラス分類。二値分類(2クラス分類)の例として、映画レビューのテキストの内容に基づいて、映画レビューを肯定的なレビューと否定的なレビューに分けるタスクについて述べる。

IMDb(Internet Movie Database)データベースセット(前処理された状態でKerasに含まれている)から収集された、「肯定的」または「否定的な50,000件のレビューでそれぞれ否定的な50%のレビューと肯定的な50%のレビューで構成されている訓練用の25,000件のデータとテスト用の25,000件のデータを用いる。

Kerasを用いてDense層とsigmaid関数を使って実際の計算を行ったものについて述べる。

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (3) 実際の適用例(2)実際の適用例(2)ニュース配信の多クラス分類

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (3) 実際の適用例(2)実際の適用例(2)ニュース配信の多クラス分類。reutersのニュース配信データ(Kerasの一部としてパッケージされている)を相互排他なトピック(クラス)に分類するネットワークを構築する。クラスの数が多いため、この問題は多クラス問題(multiclass clasification)の一例となる。各データ点は一つのカテゴリ(トピック)にのみ分類される。そう考えると、これは具体的には、多クラス単一ラベル分類(single-label multiclasss classification)問題となる。各データ点が複数のカテゴリ(トピック)に分類される可能性がある場合は、多クラス多ラベル分類(multilabel multiclass classification)問題を扱うことになる。

Keraを用いて主にDense層とRelu関数を用いて実装して評価している。

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(1)学習のためのテキストデータの前処理

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(1)学習のためのテキストデータの前処理。自然言語(テキスト)を扱う深層学習はシーケンスを処理するための基本的なディープラーニングアルゴリズムは、リカレントニューラルネットワーク(RNN)と一次元の畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の2つとなる。

DNNモデルで可能となるのは、多くの単純なテキスト処理タスクを解決するのに十分なレベルで、文語の統計的な構造をマッピングするものとなる。自然言語処理(Natural Language Processing:NLP)のためのディープラーニングは、コンピュータービジョンがピクセルに適用されるパターン認織であるのと同様に、単語、文章、段落に適用されるパターン認織となる。

テキストのベクトル化は複数の方法で行うことができる。(1)テキストを単語に分割し、各単語をベクトルに変換する、(2)テキストを文字に分割し、各文字をベクトルに変換する、(3)Nグラムの単語または文字を抽出し、Nグラムをベクトルに変換する。

ベクトルの形態としては、one-hotエンコード、単語埋め込み(word embedding)。学習済みの単語埋め込みのデーベースが様々に提供されている(Word2Vec、Global Vectors for Word Representation(GloVe)、iMDbデータセット)がある。

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(2)SimpleRNNとLSTMの適用

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(2)SimpleRNNとLSTMの適用。全結合ネットワークや畳み込みニューラルネットワークなどに共通する特徴の一つは、記憶をもっといないこととなる。これらのネットワークに渡される入力はそれぞれ個別に処理され、それらの入力にまたがって状態が維持されることはない。そうしたネットワークでシーケンスや時系列データを処理するときには、シーケンス全体を一度にネットワークに提供することで、単一のデータ点として扱われるようにする必要がある。このようなネットワークはフィードフォワードネットワーク(feedforward network)と呼ばれる。

これに対して、人が文章を読むときには、単語を目で追いながら、見たものを記憶していく。これにより、その文章の意味が流れるように表現される。生物知能は、情報を斬新的に処理しながら、処理しているものの内部モデルを維持する。このモデルは過去の情報から構築され、新しい情報が与えられるたびに更新される。

リカレントニューラルネットワーク(RNN)も、非常に単純化されているものの、原理は同じとなる。この場合は、シーケンスの処理は、シーケンスの要素を反復的に処理するという方法で行われる。そして、その過程で検出されたものに関連する情報は、状態として維持される。実質的には、RNNは内部ループを持つニューラルネットワークの一種となる。

ここではKerasを用いた基本的なRNNであるSimple RNNと、高度なRNNとしてLSTMの実装について述べている。

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(3)リカレントニューラルネットワークの高度な使い方(GRU)

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(3)リカレントニューラルネットワークの高度な使い方(GRU)。RNNの性能と汎化力を向上させる高度な手法について述べる。ここでは気温を予測する問題を例に、建物の屋上に取り付けられたセンサーから送られてくる気温、気圧、湿度といった時系列データにアクセスする。それらのデータをもちに、最後のデータ点から24時間後の気温を予測するという難易度の高い問題を解き、時系列データを扱う時に直面する課題について述べる。

具体的にはリカレントドロップアウト、リカレント層のスタック等のテクニックを用いて最適化し、GRU(Gated Recurrent Unit)層を利用するアプローチについて述べる。

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(4)双方向RNNと畳み込みニューラルネットワークでのシーケンス処理

pythonとKerasによるテキストとシーケンスのためのDNN(4)双方向RNNと畳み込みニューラルネットワークでのシーケンス処理。最後に述べる手法は、双方向RNN(bidirectional RNN)となる。双方向RNNは一般的なRNNの一つであり、特定のタスクにおいて通常のRNNよりもよい性能が得られる。このRNNは自然言語処理(NLP)でよく使用される。双方向RNNについては、NLPのためのスイスアーミイナイフのように万能なディープラーニングと考えられる。

RNNの特徴は、順序(時間)に依存することとなる。そのため時間刻みをシャッフルしたり逆の順序にすると、RNNがシーケンスから抽出する表現がすっかり変わる可能性がある。双方向RNNは、RNNの順序に敏感な性質を利用して、順方向と逆の方向でのシーケンスを処理することで、一方向では見落としているパターンを捕捉することを目的として構築されたものとなる。

pythonとKerasによるジェネレーティブディープラーニング(1)LSTMを使ったテキスト生成

pythonとKerasによるジェネレーティブディープラーニング(1)LSTMを使ったテキスト生成。今回はpythonとKerasによるジェネレーティブディープラーニングとしてLSTMを用いたテキスト生成について述べる。

深層学習を利用したデータの生成に関しては、2015年には、GoogleのDecDreamアルゴリズムによる画像をサイケデリックな犬の目やパレイドリックな作品に変換するもの、2016年にはLSTMアルゴリズムにより生成れさた(完全なセリフ付きの)脚本に基づいた「sunspring」という短編映画や、様々な音楽の生成が提案されている。

これらは深層学習のモデルで、学習された画像、音楽、物語の統計的な潜在空間(latent space)から、サンプルを抽出することで実現されている。

今回はまず、リカレントニューラルネットワーク(RNN)を使ってシーケンス(系列)データを生成する手法について述べる。ここではテキストデータを例に述べるが、全く同じ手法を使ってあらゆる種類のシーケンスデータ(音楽や絵画の筆跡データ等)への応用が可能となる。また、Googleのsmart replay等のチャットボットでの音声合成や対話生成にも活用することができる。

その他

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (4) 実際の適用例(3)住宅価格の予測に対する回帰

pythonとKerasによるディープラーニングの入門 (4)実際の適用例(3)住宅価格の予測に対する回帰。離散的なラベルではなく連続値を予測する回帰(regression)問題への適用(気象データに基づいて明日の気温を予測したり、ソフトウェアプロジェクトの仕様に基づいてプロジェクトの完了にかかる時間を予測したりするmk)について述べる。

1970年代中頃のボストン近郊での住宅価格を予測するタスクを行う。この予測には、犯罪発生率や地方財産税の税率など、当時のボストン近郊に関するデータ点を利用する。このデータセットに含まれるデータ点は506個と比較的少なく、404個の訓練サープルと、102個のテストサンプルに分割されている。また入力データの特徴量(犯罪発生率なと)はそれぞれ異なる尺度を利用している。例えば、割合を0〜1の値で示すものもあれば1〜12の値を取るものや、0〜100の値を取るものもある。

アプローチの特徴としては、データ正規化を行い、損失関数として平均絶対誤差(mean absolute error、MAE)、二乗平均誤差(mean square error)を使い、k分割交差検証(k-fold cross-validation)を使うことでデータ数の少なさを補っている。

PyTorchによる発展ディープラーニング(OpenPose, SSD, AnoGAN,Efficient GAN, DCGAN,Self-Attention, GAN, BERT, Transformer, GAN, PSPNet, 3DCNN, ECO)

PyTorchによる発展ディープラーニング(OpenPose, SSD, AnoGAN,Efficient GAN, DCGAN,Self-Attention, GAN, BERT, Transformer, GAN, PSPNet, 3DCNN, ECO)。pyhtorchを用いた発展的ディープラーニング技術の(OpenPose, SSD, AnoGAN,Efficient GAN, DCGAN,Self-Attention, GAN, BERT, Transformer, GAN, PSPNet, 3DCNN, ECO)の具体的な実装と応用。

深層学習におけるattentionについて

深層学習におけるattentionについて。深層学習におけるAttentionは、ニューラルネットワークの一部として使用される重要な概念となる。このAttentionメカニズムは、入力の異なる部分に異なる重要度を割り当てることができるモデルの能力を指し、このメカニズムの適用が、自然言語処理や画像認識などのタスクにおいて特に有用であることが近年認識されている。

ここではこのAttentionメカニズムの概要についてなるべく数式等を使わずに説明し、さらにpyhtonによる実装例について述べている。

強化学習

強化学習の基礎

強化学習技術の概要と各種実装について

強化学習技術の概要と各種実装について。強化学習(Reinforcement Learning)は、機械学習の一分野であり、エージェント(Agent)と呼ばれる学習システムが、環境との相互作用を通じて最適な行動を学習する手法となる。強化学習では、具体的な入力データと出力結果のペアが与えられる教師あり学習とは異なり、報酬信号(Reward signal)と呼ばれる評価信号が与えられることが特徴となる。

ここでは強化学習技術の概要と様々な実装形態について述べている。

機械学習スタートアップシリーズ「Ｐｙｔｈｏｎで学ぶ強化学習」

機械学習スタートアップシリーズ「Ｐｙｔｈｏｎで学ぶ強化学習」

強化学習の概要とシンプルなMDPモデルの実装

強化学習の概要とシンプルなMDPモデルの実装。強化学習の概要とシンプルなMDPモデルのpythonでの実装について述べる。

TD誤差（Temporal Difference Error）の概要と関連アルゴリズム及び実装例

TD誤差（Temporal Difference Error）の概要と関連アルゴリズム及び実装例。TD誤差（Temporal Difference Error）は、強化学習において用いられる概念の一つで、状態価値関数や行動価値関数の更新において重要な役割を果たすものとなる。TD誤差は、ある状態や行動の価値の見積もりと、その次の状態や行動の価値の見積もりの差を表している。TD誤差は、Bellman方程式を利用して、ある状態や行動の価値を次の状態や行動の価値と関連付けることで定義されている。

TD学習の概要とアルゴリズム及び実装例

TD学習の概要とアルゴリズム及び実装例。TD（Temporal Difference）学習は、強化学習（Reinforcement Learning）の一種で、エージェントが環境と相互作用しながら報酬を最大化する方法を学習するための手法となる。TD学習は、将来の報酬の予測を更新するために、実際に観測された報酬と将来の予測値との差分（Temporal Difference）を利用している。

マルコフ決定過程（MDP）と強化学習の統合したRecursive Advantage Estimationの実装例について

マルコフ決定過程（MDP）と強化学習の統合したRecursive Advantage Estimationの実装例について。Recursive Advantage Estimationは、マルコフ決定過程（MDP）と強化学習を組み合わせた新しいアプローチとなる。これは、2020年にDeepMindによって提案された方法論となる。Recursive Advantage Estimationは、通常の強化学習とは異なり、再帰的な構造を持つ方策と価値関数を使用している。このアプローチの主なアイデアは、MDPの状態遷移と報酬の両方に再帰性を持つこととなる。通常のMDPでは、次の状態と報酬は前の状態と行動にのみ依存する。しかし、Recursive Advantage Estimationでは、再帰的な方策と価値関数を導入することで、過去の情報をより効果的に利用する。

マルコフ決定過程(MDP)の概要とアルゴリズム及び実装例について

マルコフ決定過程(MDP)の概要とアルゴリズム及び実装例について。マルコフ決定過程（MDP、Markov Decision Process）は、強化学習における数学的なフレームワークであり、エージェントが状態と行動に関連付けられた報酬を受け取る環境内での意思決定問題をモデル化するために使用されるものとなる。MDPは確率論的な要素とマルコフ性質を持つプロセスを表現している。

マルコフ決定過程（MDP）と強化学習を統合したアルゴリズムと実装例

マルコフ決定過程（MDP）と強化学習を統合したアルゴリズムと実装例。”マルコフ決定過程(MDP)の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているマルコフ決定過程（MDP）と”強化学習技術の概要と各種実装について“で述べている強化学習を統合したアルゴリズムは、価値ベースの手法や方策ベースの手法を組み合わせアプローチとなる。

モデルベースアプローチによる強化学習の概要とpythonでの実装

モデルベースアプローチによる強化学習の概要とpythonでの実装。前回述べた迷路の環境をベースに計画を立てる手法について述べる。計画を立てるには「価値評価」と「戦略」の学習が必要となる。そのためにはまず「価値」を実体に即した形で定義し直す必要がある。

ここでは動的計画法(Dynamic Programming)を用いたアプローチについて述べる。この手法は迷路の環境のような遷移関数と報酬関数が明らかな場合に利用でき。このように遷移関数・報酬関数をベースに学習する手法を「モデルベース」の学習法と呼ぶ。ここでの「モデル」とは環境のことで、環境の動作を決定する遷移関数・報酬関数がその実態となる。

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(1) epsilon-Greedy法

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(1) epsilon-Greedy法。今回はモデルフリーの手法について述べる。モデルフリーは、エージェントが自ら動くことで経験を蓄積し、その経験から学習を行う手法となる。前述までのモデルベースのものと異なり環境の情報、つまり遷移関数と報酬関数は分かっていないことが前提となる。

行動した「経験」を活用するにあたり、検討すべきポイントは3つある。(1)経験の蓄積とバランス、(2)計画の修正を実績から行うか、予測で行うか、(3)経験を価値評価、戦略のどちらの更新に利用するか

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(2) モンテカルロ法とTD法

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(2) モンテカルロ法とTD法。今回は行動の修正を実績に基づき行う場合と、予測により行う場合のトレードオフについて述べる。前者の手法としてモンテカルロ法(Monte Carlo Method)、後者の手法としてTD法(Temporal Difference Learning)について述べる。またこの間を取る手法としてMulti-step Learning法とTD(λ)法(ティーディーラムダ法)についても述べる。

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(3)経験を価値評価、戦略どちらの更新に利用するか:ValueベースvsPolicyベース

モデルフリー強化学習のpythonによる実装(3)経験を価値評価、戦略どちらの更新に利用するか:ValueベースvsPolicyベース。今回は、経験を「価値評価」の更新に使うか、「戦略」の更新に使うかという違いについて述べる。これはValueベースか、Policyベースかの違いと同じとなる。いずれも経験(=TD誤差)から学習する点に変わりはないが、その適用先がことなる。２つの違いを見ていくとともに、両方を更新する二刀流ともいえる手法についても述べる。

ValueベースとPolicyベースの大きな違いは、行動選択の基準となる。valueベースは価値が最大となる状態に遷移するように行動を決定し、Policyベースは戦略に基づいて行動を決定する。戦略を使用しない前者の基準をOff-policyと呼ぶ(戦略がない=Off)。これに対し、戦略を前提とする校舎をOn-policyと呼ぶ。

Q-Learningを例に取る。Q-Learningの更新対象は「価値評価」であり、行動選択の基準はOff-policyとなる。これはQ-Learningで「価値が最大になるような行動aをとる」(max(self.G[n-state]))ように実装したことからも明らかとなる。これに対して、更新対象が「戦略」で基準が「On-policy」である手法が存在する。それがSARSA(State-Action-Reward-State-Action)となる。

価値ベース強化学習（Value-based RL）

Q-学習の概要とアルゴリズム及び実装例について

Q-学習の概要とアルゴリズム及び実装例について。Q-学習（Q-Learning）は、強化学習の一種で、エージェントが未知の環境を探索しながら最適な行動を学習するためのアルゴリズムとなる。Q-学習は、エージェントが行動価値関数（Q関数）を学習し、この関数を使用して最適な行動を選択する方法を提供している。

Vanilla Q-Learningの概要とアルゴリズムおよび実装例について

Vanilla Q-Learningの概要とアルゴリズムおよび実装例について。Vanilla Q-Learning（ヴァニラQ学習）は、強化学習の一種で、エージェントが環境とやり取りしながら最適な行動を学習するためのアルゴリズムの一つとなる。Q-Learningは、Markov Decision Process（MDP）と呼ばれる数学的モデルに基づいており、エージェントは状態(State)と行動(Action)の組み合わせに関連付けられた価値（Q値）を学習し、そのQ値をもとに最適な行動を選択する。

Deep Q-Network (DQN)の概要とアルゴリズムおよび実装例について

Deep Q-Network (DQN)の概要とアルゴリズムおよび実装例について。Deep Q-Network（DQN）は、ディープラーニングとQ-Learningを組み合わせた手法で、Q関数をニューラルネットワークで近似することによって、高次元の状態空間を持つ問題に対処する強化学習アルゴリズムとなる。DQNは、Vanilla Q-Learningよりも大規模で高次元な問題に対して効果的で、また、リプレイバッファや固定ターゲットネットワークなどのテクニックを使用して学習の安定性を向上させている。

Dueling DQNの概要とアルゴリズム及び実装例について

Dueling DQNの概要とアルゴリズム及び実装例について。Dueling DQN（Dueling Deep Q-Network）は、強化学習においてQ学習をベースとしたアルゴリズムであり、価値ベースの強化学習アルゴリズムの一種となる。Dueling DQNは、特に状態価値関数とアドバンテージ関数を分離して学習し、Q値を効率的に推定するためのアーキテクチャであり、このアーキテクチャは、Deep Q-Network（DQN）の発展的なバージョンとして提案されたものとなる。

C51 (Categorical DQN)の概要とアルゴリズム及び実装例について

C51 (Categorical DQN)の概要とアルゴリズム及び実装例について。C51、またはCategorical DQN、は深層強化学習のアルゴリズムであり、価値関数を連続的な確率分布としてモデル化する手法となる。C51は、通常のDQN（Deep Q-Network）の拡張で、離散的な行動空間の価値関数を連続的な確率分布で表現することにより、不確かさを扱う能力を持っている。

Rainbowの概要とアルゴリズム及び実装例について

Rainbowの概要とアルゴリズム及び実装例について。Rainbow（”Rainbow: Combining Improvements in Deep Reinforcement Learning”）は、深層強化学習の分野で重要な成果を収めた論文で、複数の強化学習の改良技術を組み合わせて、DQN（Deep Q-Network）エージェントの性能を向上させたアルゴリズムとなる。Rainbowは、多くの強化学習タスクで他のアルゴリズムよりも優れた性能を示し、その後の研究においても基準となるアルゴリズムの一つとなっている。

Prioritized Experience Replayの概要とアルゴリズム及び実装例について

Prioritized Experience Replayの概要とアルゴリズム及び実装例について。Prioritized Experience Replay（PER）は、強化学習の一種であるDeep Q-Networks（DQN）を改善するためのテクニックの一つとなる。DQNは、エージェントが環境とやり取りする際に収集した経験（経験リプレイバッファと呼ばれるもの）を再利用することによって学習し、通常、経験リプレイバッファからランダムにサンプリングすることが一般的だが、PERはこれを改善し、重要な経験を優先的に学習する方法になる。

SARSAの概要とアルゴリズム及び実装系について

SARSAの概要とアルゴリズム及び実装系について。SARSA（State-Action-Reward-State-Action）は、強化学習における一種の制御アルゴリズムで、主にQ学習と同じくモデルフリーな手法に分類されたものとなる。SARSAは、エージェントが状態\(s\)で行動\(a\)を選択し、その結果得られる報酬\(r\)を観測した後、新しい状態\(s’\)で次の行動\(a’\)を選択するまでの一連の遷移を学習している。

TD3 (Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient)の概要とアルゴリズム及び実装例

TD3 (Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient)の概要とアルゴリズム及び実装例。TD3（Twin Delayed Deep Deterministic Policy Gradient）は、強化学習における連続的な行動空間での”A2C（Advantage Actor-Critic）の概要とアルゴリズム及び実装例について“でも述べているアクター・クリティック法（Actor-Critic method）の一種となる。TD3は、”Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG)の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているDeep Deterministic Policy Gradient（DDPG）アルゴリズムを拡張したものであり、より安定した学習と性能向上を目指したものとなる。

方策ベース強化学習（Policy-based RL）

ポリシー勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例

ポリシー勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例。ポリシー勾配法（Policy Gradient Method）は、強化学習（Reinforcement Learning, RL）において、エージェントが直接ポリシー（行動選択の方針）を学習する手法の一つであり、この手法は、ポリシーの確率的な関数を用いて行動を選択し、その関数のパラメータを最適化することで、エージェントの長期的な報酬を最大化しようとするものとなる。

方策勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例について

方策勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例について。方策勾配法（Policy Gradient Methods）は、強化学習の一種で、特に方策（ポリシー）の最適化に焦点を当てる手法となる。方策は、エージェントが状態に対してどのような行動を選択すべきかを定義する確率的な戦略であり、方策勾配法は、方策を直接最適化することで、報酬を最大化するための最適な戦略を見つけることを目指す。

REINFORCE (Monte Carlo Policy Gradient)の概要とアルゴリズム及び実装例について

REINFORCE (Monte Carlo Policy Gradient)の概要とアルゴリズム及び実装例について。REINFORCE（またはMonte Carlo Policy Gradient）は、強化学習の一種で、方策勾配法（Policy Gradient Method）の一つであり、REINFORCEは、方策（ポリシー）を直接学習し、最適な行動選択戦略を見つけるための方法となる。

Actor-Criticの概要とアルゴリズム及び実装例について

Actor-Criticの概要とアルゴリズム及び実装例について。Actor-Criticは、強化学習のアプローチの一つで、方策（ポリシー）と価値関数（価値推定子）を組み合わせた方法であり、Actor-Criticは、方策ベース法と価値ベース法の長所を結合し、効率的な学習と制御を実現することを目指すものとなる。

A2C（Advantage Actor-Critic）の概要とアルゴリズム及び実装例について

A2C（Advantage Actor-Critic）の概要とアルゴリズム及び実装例について。A2C（Advantage Actor-Critic）は、強化学習のアルゴリズムの一つで、方策勾配法の一種であり、方策（Actor）と価値関数（Critic）を同時に学習することで、学習の効率と安定性を向上させることを目的とした手法となる。

A3C (Asynchronous Advantage Actor-Critic)の概要とアルゴリズム及び実装例について

A3C (Asynchronous Advantage Actor-Critic)の概要とアルゴリズム及び実装例について。A3C（Asynchronous Advantage Actor-Critic）は、深層強化学習のアルゴリズムの一種で、非同期の学習を用いて強化学習エージェントを訓練する手法であり、A3Cは、特に連続した行動空間でのタスクに適しており、大規模な計算リソースを有効活用できる点で注目されているものとなる。

Generalized Advantage Estimation (GAE)の概要とアルゴリズム及び実装例

Generalized Advantage Estimation (GAE)の概要とアルゴリズム及び実装例。Generalized Advantage Estimation (GAE)は、強化学習におけるポリシーの最適化に使われる手法の一つで、特に、アクター・クリティック(Actor-Critic)アプローチのように、状態価値関数やアクション価値関数を利用するアルゴリズムにおいて、より安定した学習を可能にしたものとなる。GAEは、バイアスと分散のトレードオフを調整し、より効率的なポリシーアップデートを実現している。

Proximal Policy Optimization (PPO)の概要とアルゴリズム及び実装例について

Proximal Policy Optimization (PPO)の概要とアルゴリズム及び実装例について。Proximal Policy Optimization（PPO）は、強化学習のアルゴリズムの一種であり、ポリシー最適化法の一つであり、ポリシー勾配法をベースにして、安定性の向上と高い性能を目指して設計された手法となる。

Trust Region Policy Optimization (TRPO)の概要とアルゴリズム及び実装例について

Trust Region Policy Optimization (TRPO)の概要とアルゴリズム及び実装例について。Trust Region Policy Optimization（TRPO）は、強化学習のアルゴリズムで、ポリシー勾配法（Policy Gradient）の一種となる。TRPOは、ポリシーの最適化を信頼領域制約の下で行うことで、ポリシーの安定性と収束性を向上させる。

TRPO-CMAの概要とアルゴリズム及び実装例

TRPO-CMAの概要とアルゴリズム及び実装例。TRPO-CMA (Trust Region Policy Optimization with Covariance Matrix Adaptation) は、強化学習におけるポリシー最適化手法の一つで、”Trust Region Policy Optimization (TRPO)の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているTRPOと”CMA-ES(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy)の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べている CMA-ESを組み合わせたものとなる。このアルゴリズムは、深層強化学習における複雑な問題を効率的に解決するために設計されている。

Soft Actor-Critic (SAC) の概要とアルゴリズム及び実装例

Soft Actor-Critic (SAC) の概要とアルゴリズム及び実装例。Soft Actor-Critic（SAC）は、強化学習（Reinforcement Learning）のアルゴリズムの一種で、主に連続行動空間を持つ問題に対して効果的なアプローチとして知られているものとなる。SACは、深層強化学習（Deep Reinforcement Learning）の一部として、Q-learningおよびPolicy Gradientsなどの他のアルゴリズムと比較していくつかの利点を持っている。

Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG)の概要とアルゴリズム及び実装例について

Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG)の概要とアルゴリズム及び実装例について。Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) は、連続状態空間と連続行動空間を持つ強化学習タスクにおいて、ポリシー勾配法（Policy Gradient）を拡張したアルゴリズムとなる。DDPGは、Q-学習（Q-Learning）とディープニューラルネットワークを組み合わせて、連続アクション空間での強化学習問題を解決することを目的としている。

探索戦略（Exploration Strategies）

ε-グリーディ法（ε-greedy）の概要とアルゴリズム及び実装例について

ε-グリーディ法（ε-greedy）の概要とアルゴリズム及び実装例について。ε-グリーディ法（ε-greedy）は、強化学習などの探索と活用（exploitationとexploration）のトレードオフを取り扱うためのシンプルで効果的な戦略であり、このアルゴリズムは、最適な行動を選択する確率と、ランダムな行動を選択する確率を調整する方法となる。

ボルツマン分布とソフトマックスアルゴリズム及びバンディット問題

ボルツマン分布とソフトマックスアルゴリズム及びバンディット問題。ボルツマン分布（Boltzmann distribution）は、統計力学や物理学において重要な確率分布の一つであり、この分布は、系の状態がどのようにエネルギーに分布するかを記述するものとなる。ボルツマン分布は、機械学習や最適化アルゴリズムにおいて重要な役割を果たす確率分布の一つであり、特に、確率的なアプローチやモンテカルロ法に基づく手法で以下のような広い範囲で利用されている。ソフトマックスアルゴリズムは、前述のボルツマン分布の一般化と見なすことができ、前述のようにボルツマン分布が適用されいた機械学習のアプローチにソフトマックスアルゴリズムを適用することがてできる。ここでは、バンディット問題への適用について以下に詳しく述べる。

Boltzmann Explorationの概要とアルゴリズム及び実装例について

Boltzmann Explorationの概要とアルゴリズム及び実装例について。Boltzmann Explorationは、強化学習において探索と活用のバランスを取るための手法の一つであり、通常、”ε-グリーディ法（ε-greedy）の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているε-グリーディ法がランダムに行動を選択する確率を一定に保つのに対し、Boltzmann Explorationは行動価値に基づいて選択確率を計算し、これを使って行動を選択している。

Thompson Samplingアルゴリズムの概要と実装例

Thompson Samplingアルゴリズムの概要と実装例。Thompson Sampling（トンプソン・サンプリング）は、強化学習や多腕バンディット問題などの確率的意思決定問題に使用されるアルゴリズムであり、このアルゴリズムは、複数の選択肢（アクションまたはアームと呼ばれることが多い）の中から最適なものを選択する際に、不確実性を考慮するために設計されたものとなる。特に、各アクションの報酬が確率的に変動する場合に有用となる。

UCB（Upper Confidence Bound）アルゴリズムの概要と実装例

UCB（Upper Confidence Bound）アルゴリズムの概要と実装例。UCB（Upper Confidence Bound）アルゴリズムは、多腕バンディット問題（Multi-Armed Bandit Problem）において、異なるアクション（または腕）の間で最適な選択を行うためのアルゴリズムであり、アクションの価値の不確実性を考慮し、探索と利用のトレードオフを適切に調整することで、最適なアクションの選択を目指す手法となる。

カーリー・ウィンドウ探索（Curiosity-Driven Exploration）の概要とアルゴリズム及び実装例について

カーリー・ウィンドウ探索（Curiosity-Driven Exploration）の概要とアルゴリズム及び実装例について。カーリー・ウィンドウ探索（Curiosity-Driven Exploration）は、強化学習においてエージェントが興味深い状態や事象を自発的に見つけ、学習の効率を向上させるための一般的なアイディアや手法の総称となる。このアプローチは、単純な報酬信号だけでなく、エージェント自体が自己生成的に情報を生成し、それに基づいて学習することを目的としている。

逆強化学習（Inverse Reinforcement Learning, IRL）

逆強化学習の概要とアルゴリズム及び実装例について

逆強化学習の概要とアルゴリズム及び実装例について。逆強化学習（Inverse Reinforcement Learning, IRL）は、強化学習の一種で、エキスパートの行動データからエキスパートの意思決定の背後にある報酬関数を学習するタスクとなる。通常、強化学習では報酬関数が与えられ、エージェントはその報酬関数を最大化する政策を学習し、逆強化学習は逆のアプローチで、エージェントはエキスパートの行動データを分析し、エキスパートの意思決定に対応する報酬関数を学習することを目的としている。

特徴量逆強化学習（Feature-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について

特徴量逆強化学習（Feature-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について。特徴量逆強化学習（Feature-based Inverse Reinforcement Learning）は、強化学習の一種であり、エキスパートの行動から環境の報酬関数を推定する手法となる。通常の逆強化学習（Inverse Reinforcement Learning, IRL）は、エキスパートの軌跡を直接学習し、それに基づいて報酬関数を推定している一方、特徴量逆強化学習は、特徴量を使用して報酬関数を推定することに焦点を当るものとなっている。

ドリフト検出ベースの逆強化学習（Drift-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について

ドリフト検出ベースの逆強化学習（Drift-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について。ドリフト検出ベースの逆強化学習（Drift-based Inverse Reinforcement Learning）は、エキスパートの行動とエージェントの行動の差異を検出して、その差異を最小化する報酬関数を推定する手法となる。通常の逆強化学習（IRL）では、エキスパートの行動を直接学習し、それに基づいて報酬関数を推定し、エキスパートの行動とエージェントの行動が異なる場合、報酬関数を正確に推定することが困難になるのに対して、ドリフト検出ベースの逆強化学習では、エキスパートとエージェントの行動の差異（ドリフト）を検出し、そのドリフトを最小化するような報酬関数を推定するものとなる。

最大エントロピー逆強化学習（Maximum Entropy Inverse Reinforcement Learning, MaxEnt IRL）の概要とアルゴリズム及び実装例について

最大エントロピー逆強化学習（Maximum Entropy Inverse Reinforcement Learning, MaxEnt IRL）の概要とアルゴリズム及び実装例について。最大エントロピー逆強化学習（Maximum Entropy Inverse Reinforcement Learning, MaxEnt IRL）は、エキスパートの行動データからエージェントの報酬関数を推定するための手法の一つとなる。通常、逆強化学習は、エキスパートがどのように行動するかを観察して、その行動を説明できる報酬関数を見つけることを目的としている。MaxEnt IRLは、報酬関数の推定において最大エントロピー原理を組み込むことで、より柔軟で一般的なアプローチを提供する。エントロピーは、確率分布の不確実性や予測の不確かさを表す指標であり、最大エントロピー原理は最も不確実性が高い確率分布を選ぶという考え方となる。

最適制御に基づく逆強化学習（Optimal Control-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について

最適制御に基づく逆強化学習（Optimal Control-based Inverse Reinforcement Learning）の概要とアルゴリズム及び実装例について。最適制御に基づく逆強化学習（Optimal Control-based Inverse Reinforcement Learning, OCIRL）は、エージェントが特定のタスクを遂行する際に、エージェントの行動データからその背後にある報酬関数を推定しようとする手法となる。このアプローチは、エージェントが最適制御理論に基づいて行動すると仮定している。

深層強化学習（Deep Reinforcement Learning, DRL）

強化学習に対するニューラルネットワークの適用価値評価をパラメータを持った関数で実装するValue Function Approximation

強化学習に対するニューラルネットワークの適用価値評価をパラメータを持った関数で実装するValue Function Approximation。今回はモデルフリー強化学習のpythonによる実装(1) epsilon-Greedy法等で述べたテーブル(Q[s][a]、Q-table)で行っていた価値評価をパラメータを持った関数に置き換える手法について述べる。価値評価を行う関数は価値関数(Value function)と呼ばれ、価値関数を学習(推定)することをValue Function Approximation(あるいは単にFunction Approximation)と呼ぶ。価値関数を利用した手法では、行動選択を価値関数の出力に基づいて行う。つまり、Valueベースの手法となる。

今回は、価値関数により行動を決定すエージェントを作成し、CartPoleの環境を攻略する。CartPoleは、棒が倒れないようにカートの位置を調整する環境となる。OpenAI Gymの中でもポプュラーな環境で、さまざまなサンプルで使用されている。価値関数には、ニューラルネットワークを用いる。

Deep Q-Network (DQN)の概要とアルゴリズムおよび実装例について

A2C（Advantage Actor-Critic）の概要とアルゴリズム及び実装例について

強化学習のPolicy Gradient手法の改善であるTRPO/PPOとDPG/DDPG

強化学習のPolicy Gradient手法の改善であるTRPO/PPOとDPG/DDPG。”強化学習に対するニューラルネットワークの適用戦略に深層学習を適用する:Advanced Actor Critic(A2C)”にて「Policy Gradient系の手法は実行結果が安定しないことがある」と述べたが、これを改善する手法が提案されている。まず、更新前の戦略からあまり離れないように、つまり徐々に変化するように制約をかける手法で、式で書くと以下のようになる。TRPO/PPOも、前述のA2C/A3Cと並び、現在標準的に用いられているアルゴリズムとなる。

強化学習に対するニューラルネットワークの適用(1)概要

強化学習に対するニューラルネットワークの適用(1)概要。今回は、価値関数や戦略をパラメーターを持った関数で実装する方法について述べる。これによりテーブル管理では扱いづらい、連続的な状態や行動にも対応できるようになる。

強化学習に対するニューラルネットワークの適用(2)基本的なフレームワークの実装

強化学習に対するニューラルネットワークの適用(2)基本的なフレームワークの実装。今回は強化学習への深層学習の適用のフレームワークでのpyhtonによる実装について述べる。

強化学習に対するニューラルネットワークの適用価値評価に深層学習を適用するDeep Q-Network

強化学習に対するニューラルネットワークの適用価値評価に深層学習を適用するDeep Q-Network。今回はCNNを使ったゲームの攻略について述べる。基本的な仕組みは前述とほとんど変わらないが、「画面を直接入力できるメリットを体感するために環境を変更する。今回は具体的な題材としてはボルキャッチを行うゲームであるCatcherについて述べる。

今回実装したDeep-Q-Networkには、現在多くの改良が行われている。Deep-Q-Networkを発表したDeep Mindは、優秀な改良法6つを組み込んだRainbowというモデルを発表している(Deep-Q-Networkを足すと全部で7つで、7色のRainbowになる)。

強化学習に対するニューラルネットワークの適用戦略をパラメータを持った関数で実装するPolicy Gradient

強化学習に対するニューラルネットワークの適用戦略をパラメータを持った関数で実装するPolicy Gradient。戦略もパラメータを持った関数で表現できる。状態を引数に取り、行動、または行動確率を出力する関数となる。ただ、戦略のパラメータ更新は容易ではない。価値評価では見積もりと実際の価値を近づけるというわかりやすいゴールがあった。しかし、戦略から出力される行動や行動確率は、計算できる価値と直接比較することができない。この場合の学習のヒントとなるのが、価値の期待値となる。

強化学習に対するニューラルネットワークの適用戦略に深層学習を適用する:Advanced Actor Critic(A2C)

強化学習に対するニューラルネットワークの適用戦略に深層学習を適用する:Advanced Actor Critic(A2C)。価値関数にDNNを適用したように、戦略の関数にもDNNを適用することができる。具体的には、ゲーム画面を入力として行動・行動確率を出力する関数となる。

Policy Gradientにはいくつかバリエーションがあったが、ここではAdvantageを使ったActor Critic(A2C)と呼ばれる手法について述べる。なお「A2C」という名前自体には”Advantage Actor Critic”という意味しかないが、一般的に「A2C」と呼ばれる手法には分散環境で並列に経験を収集する手法も含む。ここでは純粋に「A2C」の部分のみを実装し、分散収集については解説程度にとどめる。

なお、A2Cに分散収集の手法が含まれているのはA2Cの前にA3C(Asynchronous Advantage Actor Critic)」という手法が発表されていたからという事情がある。A3CしA2Cと同様に分差ん環境を使用しているが、エージェントは各環境で経験を収集するだけでなく、学習も行う。これが(各環境下での)”Asynchronous”な学習となる。しかし、Asynchronousな学習をしなくても十分な精度、あるいはそれ以上の精度が出る、つまり”A”は3つでなく2つで十分、とされたのがA”2″Cの生まれた背景となる。そのため、Asynchronousな学習ではないが分散環境における経験の収集は残っている。

深層強化学習における価値評価と戦略と弱点

深層強化学習における価値評価と戦略と弱点。強化学習への深層学習の適用では「価値評価」と「戦略」それぞれを関数で実装し、その関数をニューラルネットを用いて最適化した。主な手法の相関図は以下のようになる。強化学習の負の側面として以下の3つがある。(1)サンプル効率が悪い、(2)局所最適な行動に陥る、過学習することがある、(3)再現性が悪い

深層強化学習の弱点と対策の概要と環境認識の改善の為の2つのアプローチ

深層強化学習の弱点と対策の概要と環境認識の改善の為の2つのアプローチ。今回は「サンプル効率が悪い」「局所最適な行動に陥る、過学習することが多い」「再現性が悪い」の3つの強化学習の弱点を克服する手法について述べる。特に「サンプル効率が悪い」は主要な課題となり、さまざまな対策が提案されている。それらのアプローチは様々あるが、今回は「環境認識の改善」を中心に述べる。

深層強化学習の弱点である環境認識の改善の為の2つのアプローチの実装

深層強化学習の弱点である環境認識の改善の為の2つのアプローチの実装。”深層強化学習の弱点と対策の概要と環境認識の改善の為の2つのアプローチ”では深層強化学習の弱点である「サンプル効率が悪い」「局所最適な行動に陥る、過学習することが多い」「再現性が悪い」の3つの強化学習の弱点を克服する手法について述べ、特に主要な課題である「サンプル効率が悪い」に対する対策として「環境認識の改善」を中心に述べた。今回はそれらの実装について述べる。

深層強化学習の弱点の克服再現性の低さへの対応:進化戦略

深層強化学習の弱点の克服再現性の低さへの対応:進化戦略。深層強化学習には「学習が安定しない」という問題があり、これが再現性の低さを招いていた。深層強化学習に限らず、深層学習では一般的に勾配法という学習方法が用いられる。この勾配法を代替する学習法として、近年進化戦略(Evolution Startegies)が注目を浴びている。進化戦略は遺伝的アルゴリズムと同時期に提案された古典的な手法でとてもシンプルな手法となる。

デスクトップPC(64bit Corei-7 8GM)では1時間足らずで上記の学習を行うことができ、通常の強化学習と比べてはるかに短い時間で、しかもGPUなしで報酬が獲得できるようになっている。進化戦略による最適化は未だ研究途上だが、将来勾配法と肩を並べる可能性がある。強化学習の再現性を高めるために、勾配法を改良するのではなく別の最適化アルゴリズムを使用する、あるいは併用する研究は今後発展の可能性がある。

深層強化学習の弱点の克服局所最適な行動/過学習への対応:逆強化学習

深層強化学習の弱点の克服局所最適な行動/過学習への対応:逆強化学習。今回も前回に続き局所最適な行動をしてしまう、また過学習してしまうことへの対処法について述べる。ここでは逆強化学習について述べる。

逆強化学習(Inversed Reinforcement Learning : IRL)は、エキスパートの行動を模倣するのではなく行動の背景にある報酬関数を推定する。報酬関数を推定するメリットは3つある。1つ目は報酬を設計する必要がなくなる点で、これにより意図しない行動が発生するのを防げる。2点目は他タスクへの転移に利用できる点で、報酬関数が近い別のタスクであれば、その学習に利用できる(ジャンルが同じ別のゲームの学習に利用するなど)。3つ目は人間(や動物)の行動理解に使用できる点となる。

強化学習とベイズ推論

ベイジアンネットワークを用いた推論と行動の統合によるアルゴリズムと実装例について

ベイジアンネットワークを用いた推論と行動の統合によるアルゴリズムと実装例について。ベイジアンネットワークを用いた推論と行動の統合は、確率的なモデルを利用してエージェントが環境とやり取りしながら最適な行動を選択する手法であり、ベイジアンネットワークは、事象間の依存関係を表現し、不確実性を扱うのに有用なアプローチとなる。ここでは、ベイジアンネットワークを用いた推論と行動の統合によるアルゴリズムの一例として、POMDP（部分観測マルコフ決定過程）について述べる。

その他

アドバンテージ学習の概要とアルゴリズム及び実装例

アドバンテージ学習の概要とアルゴリズム及び実装例。アドバンテージ学習（Advantage Learning）は、”Q-学習の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているQ学習やポリシー勾配法の強化バージョンで、状態価値と行動価値の差、すなわち「アドバンテージ（優位性）」を学習する手法となる。従来のQ学習では、状態と行動のペアに対して得られる報酬の期待値（Q値）を直接学習していたが、アドバンテージ学習では、それに対して相対的にどれだけ良い選択であるかを評価するアドバンテージ関数 \(A(s,a)\) を計算する。

Double Q-Learningの概要とアルゴリズム及び実装例について

Double Q-Learningの概要とアルゴリズム及び実装例について。Double Q-Learning（ダブルQ-ラーニング）は、”Q-学習の概要とアルゴリズム及び実装例について“で述べているQ-Learningの一種であり、強化学習のアルゴリズムの一つであり、Q値を推定するための2つのQ関数を使用することで、過大評価（overestimation）の問題を軽減し、学習の安定性を向上させるものとなる。この手法は、Richard S. Suttonらによって提案されている。

ACKTRの概要とアルゴリズム及び実装例について

ACKTRの概要とアルゴリズム及び実装例について。ACKTR（Actor-Critic using Kronecker-factored Trust Region）は、強化学習のアルゴリズムの一つであり、トラストリージョン法（Trust Region Policy Optimization, TRPO）のアイディアをもとに、ポリシーグラディエント法（Policy Gradient Methods）と価値関数の学習を組み合わせた手法で、特に連続行動空間での制御問題に適したものとなる。

価値勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例について

価値勾配法の概要とアルゴリズム及び実装例について。価値勾配法（Value Gradients）は、強化学習や最適化の文脈で使用される手法の一つであり、状態価値やアクション価値といった価値関数に基づいて勾配を計算し、その勾配を使って方策の最適化を行うものとなる。