シングルセル解析(VAE使用)の基礎的な解説と実践例

VAEとシングルセル解析

この記事は、Pythonで実践　生命科学データの機械学習 (https://www.yodosha.co.jp/yodobook/book/9784758122634/) の内容を含んでいます。

私は現在バイオインフォマティクス研究室に所属する学生です。
勉強した事をアウトプットする場として用いていますため、何卒ご理解のほどよろしくお願いいたします。
(＞人＜;)

変分オートエンコーダ（VAE: Variational Autoencoder）の解説

VAEとは？

VAE（Variational Autoencoder）は、データを圧縮（エンコード）し、その圧縮された情報からデータを再構成（デコード）できる深層学習モデルです。
特に、生成モデルの一種として新しいデータを生成する能力があるのが特徴です。
例えば、VAEは手書き数字のデータを学習して、新しい手書き数字を生成できます。

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VAEの必要性

1. 次元削減：高次元データを低次元に圧縮し、データの本質を理解する。
2. 生成能力：新しいデータを生成できる（例：AIによる顔画像生成）。
3. 連続的な潜在空間：潜在空間が連続的なため、データの意味的な変化を理解しやすい。

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VAEの仕組み

1. オートエンコーダの基本

• エンコーダ (Encoder)：入力データ（例：画像）を潜在変数 (z) に圧縮。
• デコーダ (Decoder)：潜在変数 (z) から元のデータを再構築。

オートエンコーダはデータの特徴をつかむのが得意ですが、通常のオートエンコーダは潜在空間がバラバラで、生成がうまくいきません。

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2. VAEの改良ポイント

VAEは、次のようにオートエンコーダを改良します：

• 潜在変数を確率分布としてモデル化：$( z )$ を点でなく、平均 $(\mu)$ と分散 $(\sigma^2)$ で表される確率分布で扱う。
• KLダイバージェンス：潜在変数の分布が標準正規分布（平均0、分散1）に近づくように学習。

この仕組みにより、潜在空間が連続的になり、新しいデータをスムーズに生成できます。

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数式的なイメージ

潜在変数 (z) の生成

$
[
z \sim \mathcal{N}(\mu, \sigma^2)
]
$
エンコーダはデータ (x) を入力として、$ (\mu) $と $(\sigma^2)$ を出力します。
次に次の式で (z) をサンプルします：
$
[
z = \mu + \sigma \cdot \epsilon,\ \epsilon \sim \mathcal{N}(0, 1)
]
$

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学習の目的（損失関数）

VAEは次の損失関数を最小化します：

$\mathcal{L}$ = ${\text{再構成誤差}}$ + $\text{KLダイバージェンス}$

• 再構成誤差：元のデータとデコードされたデータの差を測定。
• KLダイバージェンス：潜在変数の分布を正規分布に近づけるために必要。

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VAEの直感的な理解

例えて言うなら、VAEは 「画家がスケッチブックを見て、新しいオリジナルな絵を描けるように訓練するプロセス」 です。

• エンコーダ：スケッチの特徴を理解する。
• デコーダ：その特徴をもとに新しい絵を描く。
• 潜在空間が正規分布に従うため、見たことのない絵でも自然な形で生成可能。

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応用例

1. 画像生成：手書き数字（MNIST）や顔画像（CelebA）の生成。
2. 異常検知：正常データのパターンを学習し、異常データを検出。
3. バイオインフォマティクス：ゲノムデータやバイオマーカーの特徴抽出や生成。

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変分オートエンコーダ（VAE）のエンコーダーとデコーダーの構造

はじめに

変分オートエンコーダ（VAE）は、データを圧縮し、その圧縮情報から新しいデータを生成できる 深層学習の生成モデル です。
このVAEの中核となるのが エンコーダー（Encoder） と デコーダー（Decoder） です。

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🏗️ VAEの基本構造

VAEは エンコーダー・デコーダー・潜在空間 の3つの主要な部分から構成されます。

                 +-----------------------+
入力データ (x) → |    エンコーダー     | → 潜在変数 (z)
                 +-----------------------+
                             ↓
                 +-----------------------+
        潜在変数 (z) → |    デコーダー     | → 出力データ (x')
                 +-----------------------+

それぞれの役割は以下のとおりです：

構成要素	役割
エンコーダー	入力データ (x) を小さな潜在変数 (z) に圧縮する
潜在空間	エンコーダーによって得られた情報を分布として表現する
デコーダー	潜在変数 (z) から元のデータ (x') を再構築する

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エンコーダーの役割と構造

エンコーダーは、入力データを 圧縮して潜在空間へマッピング する役割を持っています。

通常のオートエンコーダでは、エンコーダーは単にデータを低次元に変換するだけですが、VAEでは 確率的な分布を学習 するため、出力として 平均 $(\mu)$ と 分散 $(\sigma^2)$ を求めます。

エンコーダーの構造

以下のような ニューラルネットワーク で設計されます：

1. 入力層：データ（画像、テキストなど）を受け取る
2. 隠れ層（数層の全結合層や畳み込み層）：特徴を抽出
3. 出力層：
   • 平均 $(\mu)$ の計算
   • 分散 $(\sigma^2)$ の計算

              +-------------------+
データ (x) →  |    隠れ層 (NN)    | → 平均 μ
              |                   |
              |    隠れ層 (NN)    | → 分散 σ^2
              +-------------------+

この $(\mu)$ と $(\sigma^2)$ を用いて、 再パラメータ化トリック によって潜在変数 $(z)$ をサンプリングします。

✨ 再パラメータ化トリック

VAEでは、潜在変数 (z) は 確率分布としてモデル化 されます。
そのため、通常のニューラルネットワークでは学習しにくくなります。
これを解決するのが「再パラメータ化トリック」です。

$$
z = \mu + \sigma \cdot \epsilon, \quad \epsilon \sim \mathcal{N}(0, 1)
$$

$(\epsilon)$ は標準正規分布からサンプリングされ、これにより 勾配を伝播できるようにする ことで、VAEを学習可能にしています。

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デコーダーの役割と構造

デコーダーは、潜在変数 $(z)$ を元のデータ $(x')$ に復元する 役割を持っています。
これは、 エンコーダーの逆の処理 を行うと考えられます。

デコーダーの構造

デコーダーは、次のような ニューラルネットワーク で構成されます：

1. 入力層：潜在変数 (z) を受け取る
2. 隠れ層（数層の全結合層や畳み込み層）：特徴を復元
3. 出力層：元のデータの形状に戻す

              +-------------------+
潜在変数 (z) → |    隠れ層 (NN)    | → 出力データ x'
              +-------------------+

デコーダーは、「特徴をデコードして元のデータに復元する」ため、エンコーダーとは逆の構造を持つことが一般的です。

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• エンコーダー：データを圧縮し、潜在変数 $(z)$ を生成
• 潜在空間：確率分布として表現
• デコーダー：潜在変数 $(z)$ から元のデータを復元

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まとめ

1. エンコーダー：データを圧縮し、$(\mu)$（平均）と$(\sigma^2)$（分散）を出力
2. 再パラメータ化トリック を使って潜在変数 $(z)$ をサンプリング
3. デコーダー：潜在変数 $(z)$ を元のデータに復元

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VAEの学習、実践

変分オートエンコーダ（VAE）の学習方法・理論・デコーダの尤度関数の解説

1. VAEの学習方法（実装とアルゴリズム）
2. VAEの理論（確率モデル・損失関数）
3. デコーダの尤度関数（確率分布の観点から解説）

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1. VAEの学習方法（実装とアルゴリズム）

VAEの学習は、通常のオートエンコーダと異なり、確率分布に基づいた学習 を行います。
そのため、以下の 3つの主要なステップ を実行します。

🏗️ VAEの学習プロセス

1. 入力データ ( x ) をエンコーダーで潜在変数 ( z ) に変換
2. 潜在変数 ( z ) をデコーダーで元のデータ ( x' ) に復元
3. 損失関数（再構成誤差 + KLダイバージェンス）を最適化

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🔹 学習の流れ（PyTorchで実装）

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# エンコーダ・デコーダの定義（省略）

# VAEの学習ループ
def train_vae(model, dataloader, optimizer, num_epochs=10):
    for epoch in range(num_epochs):
        for x in dataloader:
            optimizer.zero_grad()
            
            # 1. エンコーダーを通して潜在変数を取得
            mu, logvar = model.encoder(x)
            
            # 2. 再パラメータ化トリックでzをサンプリング
            std = torch.exp(0.5 * logvar)
            eps = torch.randn_like(std)
            z = mu + eps * std
            
            # 3. デコーダーで再構成
            x_recon = model.decoder(z)
            
            # 4. 損失関数を計算（再構成誤差 + KLダイバージェンス）
            recon_loss = torch.nn.functional.mse_loss(x_recon, x, reduction='sum')
            kl_div = -0.5 * torch.sum(1 + logvar - mu.pow(2) - logvar.exp())
            loss = recon_loss + kl_div
            
            # 5. 逆伝播と最適化
            loss.backward()
            optimizer.step()

VAEの理論（確率モデル・損失関数）の解説！

1. VAEの確率モデル

通常のオートエンコーダでは、入力データ $( x )$ を 決定論的に 圧縮・復元します。

しかし、VAEでは、潜在変数 $( z )$ を確率分布として扱う ことで、より一般化能力の高い生成モデルを構築します。

VAEの確率モデルの構造

VAEは、確率的生成モデル の形で定義され、以下のような階層的な分布構造を持ちます。
$
[
p(x, z) = p(x|z) p(z)
]
$

• $( p(z) )$ ：事前分布（通常は標準正規分布 $( \mathcal{N}(0, I) )）$
• $( p(x|z) )$ ：デコーダの条件付き分布$（観測データ ( x ) を生成）$

このモデルでは、潜在変数 $( z )$ を用いて、入力データ $( x )$ を生成することができます。

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2. 変分推論とELBO（Evidence Lower Bound）

VAEの学習の目標は、観測データ $( x )$ の確率分布 $( p(x) )$ を最大化すること です。

しかし、実際には ( p(x) ) は積分計算が難しく、直接最大化するのは困難です。
$
[
p(x) = \int p(x|z) p(z) dz
]
$
そこで、近似推論 を用いて、代わりに ELBO（証拠下界） を最大化します。

$\log p(x)$ = $\mathbb{E}$${q(z|x)}[\log p(x|z)]$ - D${KL}$$(q(z|x) || p(z))
]$

ELBOの2つの項

1. 再構成誤差$（( \mathbb{E}_{q(z|x)}[\log p(x|z)] )）$

   • デコーダが ( z ) から入力 ( x ) をどれだけ正しく復元できたかを表す。
   • 例：MSE（平均二乗誤差）やバイナリクロスエントロピーを使う。

2. KLダイバージェンス$（( D_{KL}(q(z|x) || p(z)) )）$

   • エンコーダ $( q(z|x) )$ が、事前分布 $( p(z) ) $にどれだけ近いかを測定。
   • 事前分布$ ( p(z) ) $を標準正規分布にすることで、潜在空間を整理する。

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3. VAEの損失関数

VAEの損失関数は、ELBOを最大化する代わりに、マイナスELBOを最小化 する形で定義されます。

$\mathcal{L} $= $\underbrace{\text{再構成誤差}}$${\text{データを正しく再現}} + \underbrace{\text{KLダイバージェンス}}$${\text{潜在分布の正規化}}$

✔️ 再構成誤差

$
[
\mathbb{E}_{q(z|x)}[\log p(x|z)]
]
$

• ( x ) を ( z ) から生成したときの誤差を測る。
• MSE（平均二乗誤差）やバイナリクロスエントロピー（BCE）が使われる。

✔️ KLダイバージェンス

$
[
D_{KL}(q(z|x) || p(z))
]
$

• $( q(z|x) )（エンコーダの出力）$を、事前分布 $( p(z) )$（通常は標準正規分布）に近づける。

最終的なVAEの損失関数（PyTorch実装）

import torch
import torch.nn.functional as F

def vae_loss(x_recon, x, mu, logvar):
    # 再構成誤差（MSE）
    recon_loss = F.mse_loss(x_recon, x, reduction='sum')

    # KLダイバージェンス
    kl_div = -0.5 * torch.sum(1 + logvar - mu.pow(2) - logvar.exp())

    # 合計の損失
    loss = recon_loss + kl_div
    return loss

VAEのデコーダの尤度関数の解説

1. VAEのデコーダは確率モデル

通常のオートエンコーダ（AE）では、デコーダの出力は 決定論的（固定の値） です。
しかし、VAEでは、確率分布 ( p(x|z) ) をモデル化 し、データを生成します。

---

デコーダの確率モデル

デコーダの出力 ( p(x|z) ) は、データの性質に応じて異なる確率分布を仮定 します。

データの種類	確率分布
連続値データ（画像、数値データ）	ガウス分布（正規分布）
バイナリデータ（0 or 1）	ベルヌーイ分布

この尤度関数を適切に選ぶことが、VAEの成功にとって重要 です。

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2. ガウス分布を用いたデコーダ（連続データ向け）

連続値データ（画像、数値データ）を扱う場合、デコーダの出力はガウス分布（正規分布） を仮定します。
$
[
p(x|z) = \mathcal{N}(x; \mu(z), \sigma^2 I)
]
$

• $( \mu(z) )$ ：潜在変数 $( z ) $から得られる平均
• $( \sigma^2 )$ ：データのばらつきを表す分散

この分布を用いることで、生成されたデータが滑らかになる というメリットがあります。

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PyTorchによるガウス分布デコーダの実装

import torch
import torch.nn as nn

class GaussianDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, z_dim, h_dim, x_dim):
        super(GaussianDecoder, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(z_dim, h_dim)
        self.fc_mu = nn.Linear(h_dim, x_dim) # 平均
        self.fc_logvar = nn.Linear(h_dim, x_dim) # 対数分散

    def forward(self, z):
        h = torch.relu(self.fc(z))
        mu = self.fc_mu(h)
        logvar = self.fc_logvar(h)
        std = torch.exp(0.5 * logvar)  # 標準偏差を計算
        return mu, std