教師あり学習

教師あり学習は、学習データに正解を与えた状態で学習させる手法である。正解・不正解が明確な問題の解決に利用され、回帰や分類のアルゴリズムが代表的である。学習は学習、認識・予測の2段階で行われる。

学習：正解のデータを用いてルールやパターンを学習する
認識・予測：新しく入力されたデータに対して、学習したデータを用いて認識・予測する

教師あり学習では、予測したい対象を目的変数、予測に利用するデータを説明変数と呼ぶ。表形式のデータでは説明変数の各列を特徴量と呼ぶことが多い。

目的変数と説明変数の例

分野	説明変数（特徴量）	目的変数（ラベル）
売上予測	広告費、価格、季節	売上金額
医療診断	年齢、血圧、血糖値	病気の有無（Yes/No）
顧客分析	年齢、購入履歴、居住地	会員ランク（Bronze/Silver/Gold）
不動産	広さ、築年数、駅までの距離	家賃
マーケティング	メール開封率、クリック率	購入有無

代表的なアルゴリズムと用途

線形回帰

説明変数から目的変数の連続値を予測する。
例：売上予測

ロジスティック回帰

二値分類の確率を予測する。
例：メール購買予測

決定木

木構造で条件分岐を行い、分類や回帰を実施。説明が容易

ランダムフォレスト

複数の決定木を組み合わせ、高精度化するアンサンブル学習

アダブースト

前のモデルの誤分類に重みを付け順次改善するブースティング手法

サポートベクトルマシン（SVM）

クラス間の境界を最大マージンで決定し分類

k近傍法（k-NN）

周囲のデータの多数決で分類、平均値で回帰にも利用

ニューラルネットワーク（NN）

入力層・中間層・出力層で構成。非線形問題に対応可能

目的関数（損失関数）

モデルの予測精度を評価する指標

回帰問題

平均二乗誤差（MSE）

分類問題

交差エントロピー誤差（Cross-Entropy Loss）

教師なし学習（Unsupervised Learning）

正解データを与えず、データの特徴やパターンを発見する手法。主にクラスタリングと次元削減に分けられる。

クラスタリング

階層型クラスタリング

データを1クラスタずつ開始し、距離が近いものから順に結合。樹形図（デンドログラム）で可視化

群平均法

クラスタ間距離の平均を用いて結合

ウォード法

分散が最小になるようクラスタを形成

非階層型クラスタリング（k-means法）

クラスタ数を事前に指定し、中心点の更新を繰り返してクラスタを形成

次元削減

主成分分析（PCA）

多次元データを少数の主成分に変換。傾向把握や次元削減に有効

t-SNE

高次元データを低次元に圧縮し、複雑な構造を可視化

UMAP

t-SNEより高速で大規模データにも対応

Autoencoder

ニューラルネットでデータを圧縮・復元。特徴抽出や次元削減に利用

強化学習（Reinforcement Learning）

行動を通して経験し、報酬を最大化する学習の仕組み
犬のしつけを例に、各単語について解説していく

エージェント（agent）

意思決定・行動の主体
例：犬

環境（environment）

エージェントと相互作用する対象
例：飼い主、家、散歩コースなど、犬が行動する世界

状態（state）

エージェントの置かれた状況
例：犬がいま置かれている状況

行動（action）

エージェントの選択
例：犬が選ぶ行動

報酬（reward）

行動の即時的な良さ（即時報酬）
例：犬が行動した結果もらえるごほうび

方策（policy）

エージェントの行動選択ルール
例：犬が「どんな状況でどの行動を選ぶか」のルール

収益（return）

累積報酬
例：行動を続けた結果として得られる、報酬の合計

状態価値（state value）

ある状態から方策に従ったときの収益の期待値
例：特定の状況にいると、どれだけ良いこと（報酬）が期待できるか

行動価値（action value）

ある状態での特定行動を起点とした収益の期待値
例：特定の状況で、特定の行動を選んだときの期待収益

モデルの選び方

予測精度の高さ
ニューラルネットワーク、SVM、ランダムフォレスト
計算時間の短さ
ナイーブベイズ、PCA
出力結果の分かりやすさ（説明可能性）
線形回帰、決定木、ランダムフォレスト、k-means、ロジスティック回帰

用途に応じて、精度・速度・説明性のバランスを考慮して選択する

統計の手法について（参考）

平均・分散・正規分布などの統計概念は、モデル設計や予測結果の解釈に役立つ

平均

いくつかの数値や量をすべて足し合わせて、その個数で割ることで求められる値のこと。

例：
状況：クラスの数学テストの点数

生徒5人の点数：70, 80, 90, 60, 100

平均の計算：

70+80+90+60+100=400

400÷5=80

意味：
- 「クラス全体としてどのくらいの点数だったか」の目安になる
- 機械学習でいうと、予測モデルの誤差を評価するときに「基準」として使える

機械学習とのつながり：

回帰モデルでは、実際の値と予測値の差（誤差）を平均して、モデルの精度を数値化する
例：平均二乗誤差（MSE）＝「予測値と実際の点数のズレの平均の2乗」

分散

分散とは数値データのばらつき具合を表すための指標のこと。

5人のテスト点数：70, 80, 90, 60, 100

各データと平均の差を二乗

(70−80)^2=100

(80−80)^2=0

(90−80)^2=100

(60−80)^2=400

(100−80)^2=400

二乗の平均をとる（分散）

(100+0+100+400+400)÷5=200

標準偏差

偏差とは平均値からの差を表す。標準偏差は「標準的な偏差」＝「標準的な平均値との差」と訳せる。つまり、「このデータの偏差（平均値からの差）が標準的にこれぐらいですよ。」ということを表す。

標準偏差が大きい＝平均値から離れているデータが多い＝データのばらつき具合が大きい
標準偏差が小さい＝平均値から近いデータが多い＝データのばらつき具合が小さい

例：
分散の平方根をとる

\sqrt{200}≒14.14

正規分布

正規分布には以下のような基本的な性質がある

平均値と最頻値と中央値が一致する。
平均値を中心にして左右対称である。（直線x=μに関して対称）
x軸が漸近線である。
分散（標準偏差）が大きくなると、曲線の山は低くなり、左右に広がって平らになる。分散（標準偏差）が小さくなると、山は高くなり、より尖った形になる。

正規分布の式（確率密度関数）は以下

横軸を50~110、縦軸を確率密度関数とした場合のグラフ

標準化

平均 0、標準偏差 1 のスケールに変換すること。元の値が平均よりどれだけ高いか／低いか、それが標準偏差の何倍分かを数値で表せるようになる。

これは「90点は平均より 1標準偏差分高い」という意味。

正規化

データのスケール（値の大きさの範囲）を整えるための処理のこと。特に 0〜1 の範囲に収める方法（Min-Max正規化）がよく使われる。

元の点数	計算	正規化後
70	(70-60)/40	0.25
80	(80-60)/40	0.50
90	(90-60)/40	0.75
60	(60-60)/40	0.00
100	(100-60)/40	1.00

元のデータ
x が最小値なら → 0
x が最大値なら → 1
それ以外は 0〜1 の範囲の値になる

参考URL