ブートストラップサンプリング

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アルゴリズム

バギングとランダムフォレスト

複数の予測模型を組み合わせて、より精度の高い予測を行う手法のことを、集団学習と言います。この集団学習の中でも、よく知られている手法の一つに「バギング」があります。バギングは、様々なデータの偏りに対応できる、より汎用的な予測模型を作ることを目指す手法です。 バギングの仕組みは、まず複製を許しながら、元の学習データからランダムにデータを取り出して、複数の学習データの組を作ることから始まります。この手法は「ブートストラップ標本抽出法」と呼ばれています。元の学習データと同じ大きさのデータの組を複数作って、それぞれの組で予測模型を学習させます。それぞれの学習データの組は、元の学習データの一部を重複して含む一方で、一部のデータを含まないため、一つ一つが微妙に異なるものになります。 こうして学習させた複数の予測模型を使って、新しいデータに対して予測を行う場合、それぞれの模型が個別に予測を行い、その結果をまとめて最終的な予測結果を出します。例えば、分類問題では、多数決によって最終的な予測結果を決定します。つまり、多くの予測模型が「A」と予測したなら、最終的な予測結果も「A」とする、といった具合です。回帰問題では、各模型の予測値の平均値を最終的な予測値とすることが多いです。 このように、複数の予測模型の結果を組み合わせることで、一つの模型だけでは捉えきれないデータの特性を反映した、より正確で安定した予測が可能になります。また、ブートストラップ標本抽出法を用いることで、学習データの特定の傾向に過剰に適応してしまうことを防ぎ、より汎用的な予測模型を作ることができるのです。
学習

ブートストラップサンプリングで精度向上

機械学習という技術は、まるで職人が経験から技術を磨くように、与えられた情報から規則性やパターンを見つけ出すことを得意としています。しかし、良い職人になるには豊富な経験が必要なように、機械学習でも大量の情報が必要です。もし経験が不足していたら、職人は特定の状況にしか対応できない、偏った技術しか持てないかもしれません。機械学習でも同じことが起こり、限られた情報だけで学習すると、特定のデータに過剰に適応し、未知の情報に対応できない、いわゆる「過学習」という状態に陥ってしまいます。 このような問題に対処するため、限られた情報をうまく活用する技術が求められています。その中で、「ブートストラップサンプリング」という手法は、少ない情報から多くの学びを得るための、まるで魔法のような技術と言えるでしょう。これは、元々持っている情報を何度も繰り返し活用することで、あたかも多くの情報を持っているかのような効果を生み出す方法です。具体的には、持っている情報の中から、重複を許してランダムに情報を抜き出し、新しい学習用のデータを作ります。これを何度も繰り返すことで、様々なバリエーションの学習データが作られます。 ブートストラップサンプリングを使う利点は、少ない情報でも、その情報に含まれる様々な特徴を捉え、偏りを減らすことができる点です。一部分だけの情報に囚われず、全体的な傾向を掴むことができるので、新しい情報に対しても、より正確な予測を行うことが可能になります。これは、職人が様々な経験を積むことで、どんな状況にも対応できるようになるのと似ています。 特に情報量が限られている場合、この手法は大きな効果を発揮します。ブートストラップサンプリングは、様々な機械学習の方法と組み合わせて使うことができ、限られた情報からでも頑健で信頼性の高い予測モデルを作るための、強力な道具と言えるでしょう。
アルゴリズム

バギングとランダムフォレスト

袋詰めと呼ばれる手法は、機械学習の分野で、複数の学習器を組み合わせることで、より良い予測結果を得ることを目指す技法です。 この手法の肝となるのは、元となる訓練データから様々なデータの組み合わせを作り出すところにあります。例えるなら、たくさんの種類の豆が入った袋から、何度も豆を掴み出しては新しい袋を作るようなものです。掴み出すたびに同じ豆ばかりになることもあれば、様々な豆が偏りなく入ることもあります。このようにして、元と同じ数の豆が入った新しい袋をいくつも用意します。それぞれの袋は元の袋とよく似ていますが、全く同じではありません。 機械学習では、これらの新しい袋をそれぞれ異なる学習器で学習させます。それぞれの学習器は、異なるデータの組み合わせから学習するため、それぞれ異なる特徴を捉え、異なる視点を持つようになります。まるで、複数の専門家がそれぞれの視点から問題を検討するようなものです。 最後に、これらの専門家の意見をまとめる必要があります。問題の種類によってまとめ方は異なり、例えば、多数決で決める方法があります。これは、複数の学習器が「A」と答えたら、最終結果も「A」とするようなやり方です。また、平均値を使う方法もあります。これは、それぞれの学習器が出した数値の平均を最終結果とする方法です。 このように、袋詰めは複数の学習器の知恵を集めることで、より確実で精度の高い予測を可能にします。様々なデータの組み合わせから学習することで、特定のデータに偏ることなく、様々な状況に対応できるようになるため、より安定した結果が期待できるのです。