Transformerで重回帰

重回帰問題を解くのに、ちょいとTransformerなんか使っちゃおうかなと思ったら、簡単な情報が意外と見つからなかったので、今更な内容ですが書いてみました。

前提

• 入力はCSVファイルです
• 全部数値データです
• Pytorchを使います

コード説明

解説を入れながら、実際のコードを説明していきます。

import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler

使用するモジュールをインポートします。
まぁそういうものだと思ってください。

# デバイス設定
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

やっぱりGPUを使いたいので、そのように設定します。
使えない環境であれば、CPUで頑張って動作します。

学習データの読み込み

ここから、学習データの読み込み関連のコードになります。

# データ読み込み
data = pd.read_csv('sample.csv')  # すべて数値データに変換済み

まずCSVファイルから学習データを読み込みます。
ちなみに、値はすべて数値データになっていると仮定します。
（なっていなかったら、読み込んだ後に頑張って数値化してください）

# 特徴量とターゲットに分割
X = data.drop('target', axis=1).values
y = data['target'].values

カラム「target」を目的変数として、説明変数と分離します。
（カラム名は適当に直してください）

# データの標準化
scaler = StandardScaler()
X = scaler.fit_transform(X)

データの標準化を行います。
やらなくても動きますが、やっぱりやった方がいいです。

# トレーニングデータとテストデータに分割
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

テスト用のデータと分割します。
後で精度を確認するときに使用します。
ここでは8:2に分割しています。
さらに順番はランダムになってます。

y_train = y_train.astype('float32')
y_test = y_test.astype('float32')

値の型を「float32」に変換しています。
そういうものだと思ってください。

# Tensorに変換
X_train = torch.tensor(X_train, dtype=torch.float32).to(device)
X_test = torch.tensor(X_test, dtype=torch.float32).to(device)
y_train = torch.tensor(y_train, dtype=torch.float32).view(-1, 1).to(device)
y_test = torch.tensor(y_test, dtype=torch.float32).view(-1, 1).to(device)

ここから学習データをミニバッチで読み込むための準備になります。
まず、データをテンソルの形式に変換します。
（できればGPUメモリに突っ込みたいところです）

# データセットとデータローダの作成
train_dataset = TensorDataset(X_train, y_train)
test_dataset = TensorDataset(X_test, y_test)

batch_size = 64  # 適切なバッチサイズを設定

train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=False)

データセットとデータローダを作成して、学習時にそこから少しづつデータを取得できるようにしておきます。
いっぺんに学習データを読み込むと、メモリが足らなくなり学習できないことが良くありますので、ミニバッチにした方が良いかと思います。

モデルの作成

学習モデル（Transformerの本体）を定義します。

# Transformerベースのモデル定義
class TransformerRegression(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, d_model, nhead, num_encoder_layers, dim_feedforward, dropout):
        super(TransformerRegression, self).__init__()
        self.input_layer = nn.Linear(input_dim, d_model)
        encoder_layers = nn.TransformerEncoderLayer(d_model, nhead, dim_feedforward, dropout)
        self.transformer_encoder = nn.TransformerEncoder(encoder_layers, num_encoder_layers)
        self.output_layer = nn.Linear(d_model, 1)
    
    def forward(self, src):
        src = self.input_layer(src)
        src = self.transformer_encoder(src)
        output = self.output_layer(src)
        return output

エンコーダにTransformerを使用し、前後を全結合（線形結合）で挟んでいます。
ここは色々と工夫のし甲斐があるところですが、今回は簡単であることを重視して、これでいきます。

ちなみに図にするとこんな感じです。

入力データ (Input Data)
  ↓
Linear Layer (input_dim -> d_model)
  ↓
+-----------------------------+
| Transformer Encoder         |
|  +-----------------------+  |
|  | Encoder Layer 1       |  |
|  |  Multi-Head Attention |  |
|  |  Feedforward Network  |  |
|  +-----------------------+  |
|  +-----------------------+  |
|  | Encoder Layer 2       |  |
|  |  Multi-Head Attention |  |
|  |  Feedforward Network  |  |
|  +-----------------------+  |
|             ...             |
|  +-----------------------+  |
|  | Encoder Layer n       |  |
|  |  Multi-Head Attention |  |
|  |  Feedforward Network  |  |
|  +-----------------------+  |
+-----------------------------+
  ↓
Linear Layer (d_model -> 1)
  ↓
出力データ (Output Data)

1. 入力層 (Input Layer)

• 特徴量ベクトル X（サイズ：batch_size x input_dim）を全結合層に入力し、次元を d_model に変換します
• 出力サイズ：batch_size x d_model

2. Transformerエンコーダ層 (Transformer Encoder Layer)

• エンコーダレイヤーがスタックされた構造。各レイヤーは次の処理を行います
  • マルチヘッドアテンション：入力間の関係性を計算
  • フィードフォワードネットワーク：各特徴を線形変換し、非線形変換を行います
• 出力サイズ：batch_size x d_model

3. 出力層 (Output Layer)

• Transformerエンコーダ層の出力を全結合層に入力し、回帰タスク用のスカラー値に変換します
• 出力サイズ：batch_size x 1

学習

ここから学習処理に入ります。

# ハイパーパラメータ設定
input_dim = X_train.shape[1]
d_model = 64
nhead = 8
num_encoder_layers = 3
dim_feedforward = 128
dropout = 0.1

まずは学習で使用するパラメータ値を宣言しています。
ここもいろいろ調整しがいのあるところです。

# モデル、損失関数、オプティマイザの定義
model = TransformerRegression(input_dim, d_model, nhead, num_encoder_layers, dim_feedforward, dropout).to(device)
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

先ほど作成したモデルをインスタンス化し、損失関数とオプティマイザを用意します。
損失関数やオプティマイザも、いろいろ試してみると面白いかと思います。

# 学習
num_epochs = 100

for epoch in range(num_epochs):
    model.train()
    for batch_X, batch_y in train_loader:
        batch_X, batch_y = batch_X.to(device), batch_y.to(device)
        optimizer.zero_grad()
        outputs = model(batch_X)
        loss = criterion(outputs, batch_y)
        loss.backward()
        optimizer.step()
    
    if (epoch+1) % 10 == 0:
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Loss: {loss.item():.4f}')

とりあえず100エポックでぶん回してみます。

検証

学習した結果の精度を確認してみます。

# 検証
model.eval()
test_loss = 0.0
with torch.no_grad():
    for batch_X, batch_y in test_loader:
        batch_X, batch_y = batch_X.to(device), batch_y.to(device)
        predictions = model(batch_X)
        test_loss += criterion(predictions, batch_y).item()

test_loss /= len(test_loader)
print(f'Test Loss: {test_loss:.4f}')

ロスを出力していますので、できるだけ小さくなるように頑張りたいところです。

推論

検証のコードを見ればわかりますが、推論はこうします。

# 推論
with torch.no_grad():
    predictions = model(X)
    print(predictions)

まとめ

とりあえず、こんな感じで重回帰をTransformerで求められるようになりました。
Transformerでやらなくちゃいけないってことはないんですけどね。

おまけ

実際には、毎回学習するわけにはいかないので、学習結果をファイルにSave/Loadして使うことになるかと思います。

保存

Saveはこんな感じです。

# モデルの保存
model_path = 'transformer_regression_model.pth'
torch.save(model.state_dict(), model_path)
print(f'Model saved to {model_path}')

読み込み

Loadはこんな感じです。

# モデルのインスタンス化と読み込み
model = TransformerRegression(input_dim, d_model, nhead, num_encoder_layers, dim_feedforward, dropout).to(device)
model.load_state_dict(torch.load('transformer_regression_model.pth'))
model.eval()
print('Model loaded and ready for inference')

おまけのおまけ

このコードは、ChatGPTの協力で作成しました。