Python
機械学習

ADALINE – Python機械学習第二章学習メモ

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最近Python機械学習を読み進めているのですが、その学習メモです。

前回はこちら


ADALINE

パーセプトロンとの違いは、重みの更新方法


  • パーセプトロン:単位ステップ関数

  • ADALINE:線形活性化関数 \(\phi(z)\)

目的関数(Objective function) ... 学習過程で最適化される関数。多くの場合は コスト関数 (cost function)


コスト関数

誤差平方和(Sum of Squared Error:SSE)

$$ J(w) = \frac{1}{2}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 $$


利点


  • 微分可能である

  • 凸関数であるため勾配降下法(gradient descent)を用いてコスト関数を最小化する重みを見つけ出すことができる。


勾配降下法を使った重み更新

コスト関数\( J(w) \)の勾配\( \nabla J(w) \)に沿って1ステップ進む

$$ w := w + \Delta w $$

重みの変化である\( \Delta w \)は、負の勾配に学習率\( \eta \)を掛けたもの

$$ \Delta w = -\eta\nabla J(w) $$


勾配計算(偏微分係数)

$$ \begin{align} \frac{\delta J}{\delta w_j} &= \frac{\delta}{\delta w_j}\frac{1}{2}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 \\

&= \frac{1}{2}\frac{\delta}{\delta w_j}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 \\

&= \frac{1}{2}\sum_i2(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))\frac{\delta}{\delta w_j}(y^{(i)}-\phi(z^{(i)})) \\

&= \sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))\frac{\delta}{\delta w_j}\Bigl( y^{(i)}-\sum_k(w_kx_k^{(i)})\Bigr) \\

&= \sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))(-x_j^{(i)}) \\

&= -\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))x_j^{(i)} \\

\end{align} $$


ADALINEの実装

class AdalineGD(object):

"""ADAptive LInear NEuron classifier.

パラメータ
------------
eta : float
学習率 (0.0~1.0)
n_iter : int
繰り返し回数

"""
def __init__(self, eta=0.01, n_iter=50):
self.eta = eta
self.n_iter = n_iter

def fit(self, X, y):
""" トレーニングデータの学習

"""
self.w_ = np.zeros(1 + X.shape[1])
self.cost_ = []

for i in range(self.n_iter):
net_input = self.net_input(X)
output = self.activation(X)
errors = (y - output)
self.w_[1:] += self.eta * X.T.dot(errors)
self.w_[0] += self.eta * errors.sum()
cost = (errors**2).sum() / 2.0
self.cost_.append(cost)
return self

def net_input(self, X):
return np.dot(X, self.w_[1:]) + self.w_[0]

def activation(self, X):
return self.net_input(X)

def predict(self, X):
return np.where(self.activation(X) >= 0.0, 1, -1)


学習

import pandas as pd

df = pd.read_csv('https://archive.ics.uci.edu/ml/'
'machine-learning-databases/iris/iris.data', header=None)
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# select setosa and versicolor
y = df.iloc[0:100, 4].values
y = np.where(y == 'Iris-setosa', -1, 1)

# extract sepal length and petal length
X = df.iloc[0:100, [0, 2]].values

fig, ax = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, figsize=(8, 4))

ada1 = AdalineGD(n_iter=10, eta=0.01).fit(X, y)
ax[0].plot(range(1, len(ada1.cost_) + 1), np.log10(ada1.cost_), marker='o')
ax[0].set_xlabel('Epochs')
ax[0].set_ylabel('log(Sum-squared-error)')
ax[0].set_title('Adaline - Learning rate 0.01')

ada2 = AdalineGD(n_iter=10, eta=0.0001).fit(X, y)
ax[1].plot(range(1, len(ada2.cost_) + 1), ada2.cost_, marker='o')
ax[1].set_xlabel('Epochs')
ax[1].set_ylabel('Sum-squared-error')
ax[1].set_title('Adaline - Learning rate 0.0001')

plt.tight_layout()
# plt.savefig('./adaline_1.png', dpi=300)
plt.show()


学習結果のプロット

from matplotlib.colors import ListedColormap

def plot_decision_regions(X, y, classifier, resolution=0.02):

# setup marker generator and color map
markers = ('s', 'x', 'o', '^', 'v')
colors = ('red', 'blue', 'lightgreen', 'gray', 'cyan')
cmap = ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))])

# plot the decision surface
x1_min, x1_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
x2_min, x2_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
xx1, xx2 = np.meshgrid(np.arange(x1_min, x1_max, resolution),
np.arange(x2_min, x2_max, resolution))
Z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T)
Z = Z.reshape(xx1.shape)
plt.contourf(xx1, xx2, Z, alpha=0.4, cmap=cmap)
plt.xlim(xx1.min(), xx1.max())
plt.ylim(xx2.min(), xx2.max())

# plot class samples
for idx, cl in enumerate(np.unique(y)):
plt.scatter(x=X[y == cl, 0], y=X[y == cl, 1],
alpha=0.8, c=cmap(idx),
edgecolor='black',
marker=markers[idx],
label=cl)