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ニューラルネットワークをざっくりと理解する　損失関数、誤差逆伝播法編

Posted at 2019-03-06

前回、ニューラルネットワークをざっくりと理解するパーセプトロン、活性化関数編でパーセプトロン、活性化関数についてざっくりと解説しました。今回では損失関数、誤差逆伝播法(バックプロパゲーション)について紹介していきます。

#学習とは
そもそも学習するとは、予測と正解ラベルが最大限に一致するように重みパラメータを最適に調整することです。では最適とはどのように判断するのでしょうか。

モデルの当てはまりの良さを考える

上のグラフの二本の線はどちらの当てはまりが良いでしょうか？
下の線の当てはまりが良さそうですが、この当てはまりを定量的に計る必要があります。

#損失関数

予測値と正解値にどれくらいの誤差(損失)があるのかを示す関数で、誤差(損失)とはモデルの当てはまり(精度)の悪さを示している。
つまり、誤差(損失)が小さいほど、そのモデルは優秀であるといえます。この誤差(損失)が最小になっている状態を最適と言い学習の目標は、この損失関数を最小化(最適化)することです。

##損失関数の種類

扱うデータ、モデル、分析の目的に応じて正しく損失関数を定義する。

回帰問題：二乗誤差

二乗誤差を最小化するように重みパラメータを決定する手法を最小二乗法と呼びます。数式は以下の通りです。

分類問題：交差エントロピー

尤度関数というモデルの当てはまりの良さを示す関数の負の対数を撮ったもの。予測値と正解値が一致していると０になります。数式は以下の通りです。

・二値分類

・多値分類

多値分類の具体例：
2つのモデルを使ってある人の服のサイズ(S,M,L)を予測したい。
出力はそれぞれ以下のようになった。なお正解ラベルはMです。

y = (S, M, L)

1, y=(0.01, 0.98, 0.01)
2, y=(0.25, 0.60, 0.15)

それぞれの交差エントロピーを計算すると

1, y = -(0 * log0.01 + 1 * log0.98 + 0 * log0.01)=-{0 + (-0.02) + 0} = 0.02

2, y = -(0 * log0.25 + 1 * log0.60 + 0 * log0.15)=-{0 + (-0.51) + 0} = 0.51

となり、1番の出力の誤差の方が小さいため最適であると言えます。

##損失関数の最小化方法と種類

一般に、ある関数の最小値を求めたいというときは、それぞれの変数について偏微分したものを0と置いて連立方程式を解く。偏微分によって得られた関数は接戦の傾きを表しており、最小値では接戦の傾きが0になるため＝0とおけます。

勾配降下法

・重みパラメータを少しずつ更新していって最適値を探す方法。
・損失関数を重みパラメータで偏微分すると、接戦の傾きを求めることができる。またどちらの方向に重みを変化させると損失が減少するかがわかります。

※矢印は更新方向
接戦の傾きがマイナスなら重みを増加し、接戦の傾きがプラスなら減少させると最小値に近づく。

更新式は以下の通りになります。

ミニバッチ勾配降下法

膨大なデータを取り扱うことが多い近年、そうなるとすべてのデータについての誤差を計算することが計算コストの観点から難しく、また非効率です。ミニバッチ勾配降下法はランダムにいくつかのデータ集合(ミニバッチ)を使って、実際には勾配降下法を適応します。
ミニバッチの大きさはデータによって変わるが、32,64,128,256など2の累乗が使われることが多い。

では実際に勾配降下法をニューラルネットワーク(多層パーセプトロン)に適用させてみる。

なお重みパラメータは次のように見ます。

最終的な予測値と(正解ラベル)の二乗誤差を考えると以下のようになります。

この損失関数をそれぞれの重みパラメータで偏微分した形を求める。今回は例としてで偏微分してみます。

この数式はという予測値に対して一番はじめの重みパラーメータをどれだけ変化させるのかという式です。一つの重みパラメータを求めるだけで一苦労ですが、すべての重みパラメータについて、さらにデータN個分計算することになります。つまり偏微分の具体的な結果を求めることが困難であるため、偏微分の結果をもっと簡単に得る工夫が必要となります。