言語処理100本ノック 2015の挑戦記録です。環境はUbuntu 16.04 LTS ＋ Python 3.5.2 :: Anaconda 4.1.1 (64-bit)です。過去のノックの一覧はこちらからどうぞ。
第8章: 機械学習
本章では，Bo Pang氏とLillian Lee氏が公開しているMovie Review Dataのsentence polarity dataset v1.0を用い，文を肯定的（ポジティブ）もしくは否定的（ネガティブ）に分類するタスク（極性分析）に取り組む．
###78. 5分割交差検定
76-77の実験では，学習に用いた事例を評価にも用いたため，正当な評価とは言えない．すなわち，分類器が訓練事例を丸暗記する際の性能を評価しており，モデルの汎化性能を測定していない．そこで，5分割交差検定により，極性分類の正解率，適合率，再現率，F1スコアを求めよ．
####出来上がったコード：
main.py
# coding: utf-8
import codecs
import snowballstemmer
import numpy as np
fname_sentiment = 'sentiment.txt'
fname_features = 'features.txt'
fname_result = 'result.txt'
fencoding = 'cp1252' # Windows-1252らしい
division = 5 # データの分割数
learn_alpha = 6.0 # 学習レート
learn_count = 1000 # 学習の繰り返し数
stemmer = snowballstemmer.stemmer('english')
# ストップワードのリスト http://xpo6.com/list-of-english-stop-words/ のCSV Formatより
stop_words = (
'a,able,about,across,after,all,almost,also,am,among,an,and,any,are,'
'as,at,be,because,been,but,by,can,cannot,could,dear,did,do,does,'
'either,else,ever,every,for,from,get,got,had,has,have,he,her,hers,'
'him,his,how,however,i,if,in,into,is,it,its,just,least,let,like,'
'likely,may,me,might,most,must,my,neither,no,nor,not,of,off,often,'
'on,only,or,other,our,own,rather,said,say,says,she,should,since,so,'
'some,than,that,the,their,them,then,there,these,they,this,tis,to,too,'
'twas,us,wants,was,we,were,what,when,where,which,while,who,whom,why,'
'will,with,would,yet,you,your').lower().split(',')
def is_stopword(str):
'''文字がストップワードかどうかを返す
大小文字は同一視する
戻り値：
ストップワードならTrue、違う場合はFalse
'''
return str.lower() in stop_words
def hypothesis(data_x, theta):
'''仮説関数
data_xに対して、thetaを使ってdata_yを予測
戻り値：
予測値の行列
'''
return 1.0 / (1.0 + np.exp(-data_x.dot(theta)))
def cost(data_x, theta, data_y):
'''目的関数
data_xに対して予測した結果と正解との差を算出
戻り値：
予測と正解との差
'''
m = data_y.size # データ件数
h = hypothesis(data_x, theta) # data_yの予測値の行列
j = 1 / m * np.sum(-data_y * np.log(h) -
(np.ones(m) - data_y) * np.log(np.ones(m) - h))
return j
def gradient(data_x, theta, data_y):
'''最急降下における勾配の算出
戻り値：
thetaに対する勾配の行列
'''
m = data_y.size # データ件数
h = hypothesis(data_x, theta) # data_yの予測値の行列
grad = 1 / m * (h - data_y).dot(data_x)
return grad
def extract_features(data, dict_features):
'''文章から素性を抽出
文章からdict_featuresに含まれる素性を抽出し、
dict_features['(素性)']の位置を1にした行列を返す。
なお、先頭要素は固定で1。素性に対応しない重み用。
戻り値：
先頭要素と、該当素性の位置+1を1にした行列
'''
data_one_x = np.zeros(len(dict_features) + 1, dtype=np.float64)
data_one_x[0] = 1 # 先頭要素は固定で1、素性に対応しない重み用。
for word in data.split(' '):
# 前後の空白文字除去
word = word.strip()
# ストップワード除去
if is_stopword(word):
continue
# ステミング
word = stemmer.stemWord(word)
# 素性のインデックス取得、行列の該当箇所を1に
try:
data_one_x[dict_features[word]] = 1
except:
pass # dict_featuresにない素性は無視
return data_one_x
def load_dict_features():
'''features.txtを読み込み、素性をインデックスに変換するための辞書を作成
インデックスの値は1ベースで、features.txtにおける行番号と一致する。
戻り値：
素性をインデックスに変換する辞書
'''
with codecs.open(fname_features, 'r', fencoding) as file_in:
return {line.strip(): i for i, line in enumerate(file_in, start=1)}
def create_training_set(sentiments, dict_features):
'''正解データsentimentsから学習対象の行列と、極性ラベルの行列を作成
学習対象の行例の大きさは正解データのレビュー数×(素性数+1)。
列の値は、各レビューに対して該当素性がある場合は1、なければ0になる。
列の素性のインデックスはdict_features['(素性)']で決まる。
先頭の列は常に1で、素性に対応しない重みの学習用。
dict_featuresに存在しない素性は無視。
極性ラベルの行列の大きさはレビュー数×1。
肯定的な内容が1、否定的な内容が0。
戻り値：
学習対象の行列,極性ラベルの行列
'''
# 行列を0で初期化
data_x = np.zeros([len(sentiments), len(dict_features) + 1], dtype=np.float64)
data_y = np.zeros(len(sentiments), dtype=np.float64)
for i, line in enumerate(sentiments):
# 素性抽出
data_x[i] = extract_features(line[3:], dict_features)
# 極性ラベル行列のセット
if line[0:2] == '+1':
data_y[i] = 1
return data_x, data_y
def learn(data_x, data_y, alpha, count):
'''ロジスティック回帰の学習
戻り値：
学習済みのtheta
'''
theta = np.zeros(data_x.shape[1])
c = cost(data_x, theta, data_y)
print('\t学習開始\tcost：{}'.format(c))
for i in range(1, count + 1):
grad = gradient(data_x, theta, data_y)
theta -= alpha * grad
# コストとthetaの最大調整量を算出して経過表示（100回に1回）
if i % 100 == 0:
c = cost(data_x, theta, data_y)
e = np.max(np.absolute(alpha * grad))
print('\t学習中(#{})\tcost：{}\tE:{}'.format(i, c, e))
c = cost(data_x, theta, data_y)
e = np.max(np.absolute(alpha * grad))
print('\t学習完了(#{}) \tcost：{}\tE:{}'.format(i, c, e))
return theta
def score(fname):
'''結果ファイルからスコア算出
fnameで指定された結果ファイルを読み込んで、正解率、適合率、再現率、F1スコアを返す
戻り値：
正解率,適合率,再現率,F1スコア
'''
# 結果を読み込んで集計
TP = 0 # True-Positive 予想が+1、正解も+1
FP = 0 # False-Positive 予想が+1、正解は-1
FN = 0 # False-Negative 予想が-1、正解は+1
TN = 0 # True-Negative 予想が-1、正解も-1
with open(fname) as data_file:
for line in data_file:
cols = line.split('\t')
if len(cols) < 3:
continue
if cols[0] == '+1': # 正解
if cols[1] == '+1': # 予想
TP += 1
else:
FN += 1
else:
if cols[1] == '+1':
FP += 1
else:
TN += 1
# 算出
accuracy = (TP + TN) / (TP + FP + FN + TN) # 正解率
precision = TP / (TP + FP) # 適合率
recall = TP / (TP + FN) # 再現率
f1 = (2 * recall * precision) / (recall + precision) # F1スコア
return accuracy, precision, recall, f1
# 素性辞書の読み込み
dict_features = load_dict_features()
# 正解データ読み込み
with codecs.open(fname_sentiment, 'r', fencoding) as file_in:
sentiments_all = list(file_in)
# 正解データを5分割
sentiments = []
unit = int(len(sentiments_all) / division)
for i in range(5):
sentiments.append(sentiments_all[i * unit:(i + 1) * unit])
# 5分割交差検定
with open(fname_result, 'w') as file_out:
for i in range(division):
print('{}/{}'.format(i + 1, division))
# 学習用と検証用に正解データを分割
data_learn = []
for j in range(division):
if i == j:
data_validation = sentiments[j]
else:
data_learn += sentiments[j]
# 学習対象の配列と極性ラベルの配列作成
data_x, data_y = create_training_set(data_learn, dict_features)
# 学習
theta = learn(data_x, data_y, alpha=learn_alpha, count=learn_count)
# 検証
for line in data_validation:
# 素性抽出
data_one_x = extract_features(line[3:], dict_features)
# 予測、結果出力
h = hypothesis(data_one_x, theta)
if h > 0.5:
file_out.write('{}\t{}\t{}\n'.format(line[0:2], '+1', h))
else:
file_out.write('{}\t{}\t{}\n'.format(line[0:2], '-1', 1 - h))
# 結果表示
print('\n学習レート：{}\t学習繰り返し数：{}'.format(learn_alpha, learn_count))
accuracy, precision, recall, f1 = score(fname_result)
print('正解率 \t{}\n適合率 \t{}\n再現率 \t{}\nF1スコア \t{}'.format(
accuracy, precision, recall, f1
))
####実行結果：
実行結果
1/5
学習開始 cost：0.6931471805599453
学習中(#100) cost：0.46843942718055814 E:0.006388382573910524
学習中(#200) cost：0.4155300488897057 E:0.003950176267083882
学習中(#300) cost：0.3855283848183693 E:0.002867235531957132
学習中(#400) cost：0.3648933651792237 E:0.0022495471367582247
学習中(#500) cost：0.3493282931816998 E:0.0018583498524543404
学習中(#600) cost：0.3369232080431452 E:0.0016771358183603987
学習中(#700) cost：0.32666634898652896 E:0.001528412108716516
学習中(#800) cost：0.31795919554061053 E:0.0014042508127869423
学習中(#900) cost：0.31041943220497686 E:0.0012990594970099315
学習中(#1000) cost：0.30378857681325766 E:0.0012088047599478039
学習完了(#1000) cost：0.30378857681325766 E:0.0012088047599478039
2/5
学習開始 cost：0.6931471805599453
学習中(#100) cost：0.4741687433335998 E:0.006589814822192543
学習中(#200) cost：0.42144780985764596 E:0.003908261118677938
学習中(#300) cost：0.3912183151335336 E:0.002804459291483359
学習中(#400) cost：0.370303379815077 E:0.0023610369221010326
学習中(#500) cost：0.354477846021314 E:0.0020514997491309413
学習中(#600) cost：0.3418460542105294 E:0.0018224684562050484
学習中(#700) cost：0.33139550986560584 E:0.001645643112098399
学習中(#800) cost：0.3225230456812948 E:0.0015047097369745835
学習中(#900) cost：0.31484124228803834 E:0.0013896119787524179
学習中(#1000) cost：0.3080871067835467 E:0.0012937962132790058
学習完了(#1000) cost：0.3080871067835467 E:0.0012937962132790058
3/5
学習開始 cost：0.6931471805599453
学習中(#100) cost：0.46891949543978517 E:0.006357216339527686
学習中(#200) cost：0.41580499264287696 E:0.003532830533162978
学習中(#300) cost：0.3854553165948075 E:0.0027301913427912735
学習中(#400) cost：0.3644760512004263 E:0.0022545615099526647
学習中(#500) cost：0.3485986820681382 E:0.001919021249806922
学習中(#600) cost：0.3359163761795678 E:0.0016705021198879075
学習中(#700) cost：0.32541428766128333 E:0.0014797071516709523
学習中(#800) cost：0.31648958311645375 E:0.0013367387334497819
学習中(#900) cost：0.3087557956043563 E:0.0012494627215075146
学習中(#1000) cost：0.3019508027016161 E:0.0011779206121903469
学習完了(#1000) cost：0.3019508027016161 E:0.0011779206121903469
4/5
学習開始 cost：0.6931471805599453
学習中(#100) cost：0.4725342546493931 E:0.006182597071964639
学習中(#200) cost：0.4194276723005623 E:0.0034649497530972943
学習中(#300) cost：0.38918298242842136 E:0.0025501444797361994
学習中(#400) cost：0.36832204557828535 E:0.0021388621069763788
学習中(#500) cost：0.3525543611131982 E:0.001855410065711756
学習中(#600) cost：0.33996964450743344 E:0.0016480855756071824
学習中(#700) cost：0.32955351095109425 E:0.0014898405345723522
学習中(#800) cost：0.32070420313966275 E:0.001365069555771408
学習中(#900) cost：0.3130363527272276 E:0.0012842751555114352
学習中(#1000) cost：0.3062888953703655 E:0.0012201511930926112
学習完了(#1000) cost：0.3062888953703655 E:0.0012201511930926112
5/5
学習開始 cost：0.6931471805599453
学習中(#100) cost：0.47367883038307196 E:0.006165844710913304
学習中(#200) cost：0.42196370471708444 E:0.0038294500786362744
学習中(#300) cost：0.39242868456409186 E:0.002903639748114128
学習中(#400) cost：0.3720216436950633 E:0.002348459481805761
学習中(#500) cost：0.3565815749862366 E:0.0019763223680587666
学習中(#600) cost：0.34425094991837796 E:0.001708469854933442
学習中(#700) cost：0.33404185010109005 E:0.0015059837001246833
学習中(#800) cost：0.32536765342218166 E:0.001357007404701798
学習中(#900) cost：0.3178523514158344 E:0.0012612117027114012
学習中(#1000) cost：0.3112409530842421 E:0.0011798784899874886
学習完了(#1000) cost：0.3112409530842421 E:0.0011798784899874886
学習レート：6.0 学習繰り返し数：1000
正解率 0.7483114446529081
適合率 0.749058734939759
再現率 0.7466691686995685
F1スコア 0.7478620430410676
###交差検定とは
学習結果の精度を検証する際、学習に使ったデータで検証しても、未知のデータに対する精度がわかりません。また、学習に使ったデータでの検証は、いわゆる教科書丸暗記で応用が効かないような学習（過学習とか呼びます）でも良い結果になってしまいます。そのため、学習に使っていないデータで検証する必要があります。これを交差検定と呼びます。
交差検定には一般的な方法がいくつかあるようです。今回の問題で指定されている「K-分割交差検定」は、データをK分割して、そのうちの1つを検証用、残りを学習用とする方法です。これを検証用のデータを切り替えながらK回繰り返して平均します。詳細については技術評論社の「gihyo.jp」で公開されている第21回（最終回） 機械学習 はじめようが分かりやすいです。
また、例のCourseraのMachine Learningでは別の方法をオススメしていました。学習用データと調整用のデータと検証用データの3つに分けて、学習用データで学習し、調整用のデータで調整し、最終的に検証用データで結果の精度を確認する方法です。こちらについてはkatsu1110さんのCoursera Machine Learning (6): 機械学習のモデル評価（交差検定、Bias & Variance、適合率 & 再現率）のまとめがわかりやすいです。
###5分割交差検定の実装
単純にデータを5分割して実装しました。データは全部で10,662件あるので、割れずに余る2件は扱いが面倒なのでなかったことにしました^^;
なお、関数はすべてこれまでの問題で作ったものです。
スコアの算出についても問題77で作ったscore()をそのまま使うために、5回に分けて予測させた結果を問題76のフォーマットで1つのファイルに追記していき、出来あがった大きな1つの結果ファイルをscore()に食わせる形にしました。
###精度の改善について
残念ながら75%弱まで下がってしまいました。ちょっと低い感じがしますが、とりあえず次の問題に進もうと思います。
なお、精度を改善するためには、素性を増やしたり、データを増やしたり、正規化のパラメータを追加したり、仮説関数の多項式を増やしたり、素性の抽出方法を見直したり...といろいろな手段があります。ただ、思いつきでいろいろ試しても時間を浪費するだけで、精度はなかなか改善できないそうです。
CourseraのMachine Learningでは、改善のためにまず精度が低い原因がオーバーフィット（学習データに依存しすぎている状態、高バリアンスとか呼びます）なのかアンダーフィット（学習データを活用しきれていない、高バイアス）なのかを見極めなさいとのことでした。これは正規化パラーメータを導入すると判断できるようになります。その結果によって改善のアプローチが決まってきます。検証や改善についてはMachine LearningのWeek6で学ぶことができます。
79本目のノックは以上です。誤りなどありましたら、ご指摘いただけますと幸いです。
実行結果には、100本ノックで用いるコーパス・データで配布されているデータの一部が含まれます。