過学習を防ぐ！正則化とは？

過学習を防ぐ！正則化とは？

過学習を防ぐ！正則化とは？

AIを知りたい

先生、「正則化」ってなんですか？難しそうな言葉でよくわかりません。

AIの研究家

そうだね。「正則化」は少し難しい言葉だけど、簡単に言うと「模型を賢く作るための工夫」だよ。模型に色々な部品をたくさん付けすぎると、見た目は完璧でも、新しいものに対応できなくなってしまうことがあるだろう？

AIを知りたい

ああ、なるほど。複雑にしすぎると、新しいものに対応できないってことですか？

AIの研究家

その通り！「正則化」は、模型が複雑になりすぎるのを防いで、新しいものにも対応できるようにする工夫なんだ。だから、AIを作る上でもとても大切な技術なんだよ。

正則化とは。

「正則化」っていうのは、AIの学習で使う式の大きさを調整することで、学習が偏らないようにする工夫のことだよ。例えば、たくさんの写真から「猫」を見分けるAIを作るとするよね。で、その学習に使う写真の中に、たまたまシマシマ模様の猫が多かったとする。そうすると、AIは「シマシマ模様＝猫」って覚えてしまって、模様のない猫を見せても「猫」だと分からなくなっちゃうことがあるんだ。「正則化」はこの「シマシマ模様＝猫」っていう極端な覚え方を防いで、もっと色々な種類の猫にも対応できるようにしてくれるんだよ。今、人気の教育系YouTuber「ヨビノリ」さんと一緒に、「正則化」について分かりやすく解説した動画と記事を公開してるよ！「正則化」って難しそうだけど、予備校の授業みたいに楽しく学べるから、ぜひ見てみてね！

機械学習における過学習の問題

機械学習は、大量のデータからパターンやルールを自動的に学習し、未知のデータに対しても予測や判断を行うことを目指す技術です。この技術によって、様々な分野で自動化や効率化が進んでいます。しかし、機械学習を行う上で、「過学習」と呼ばれる問題に注意する必要があります。

過学習とは、機械学習モデルが、学習に用いたデータに過剰に適合してしまう現象のことです。学習データに対しては高い精度で予測できるモデルが構築できたとしても、それはあくまでも、その特定のデータセットにのみ最適化された状態であると言えます。

例えば、大量の犬と猫の画像データを使って、画像から動物の種類を判別するモデルを学習させたとします。過学習が起こると、学習データに含まれていた特定の犬種や猫種、あるいは背景や撮影条件にまで過剰に適合してしまい、未知の犬や猫の画像を正しく判別できない可能性があります。

過学習を防ぐためには、学習データとは別に、モデルの汎化性能を評価するためのデータを用意しておくことが重要です。また、モデルの複雑さを調整する正則化などの技術を用いることによって、過剰な学習を抑えることも有効な手段となります。

問題点	内容	対策
過学習	機械学習モデルが学習データに過剰に適合し、未知データへの対応力が低下する現象。例：特定の犬種や猫種、背景に過剰に適合し、未知の画像判別が困難になる。	学習データとは別に、汎化性能評価用のデータを用意する。正則化などの技術でモデルの複雑さを調整し、過剰な学習を抑える。

正則化：過学習への対策

– 正則化過学習への対策機械学習のモデル構築において、学習データに過度に適合してしまう「過学習」は、未知のデータに対する予測精度を低下させる大きな問題です。この過学習を防ぐための有効な手法の一つとして、「正則化」という技術があります。正則化は、モデルが学習データの細かな特徴にまで適合しすぎるのを抑制し、より汎用的な表現を獲得できるようにすることを目指します。具体的には、モデルの学習プロセスで用いられる評価関数に、特定の項を追加します。この追加項は、モデルのパラメータの大きさに応じて罰則を加える役割を担います。たとえば、回帰モデルにおいて広く用いられる正則化の手法として、L1正則化とL2正則化が挙げられます。L1正則化は、パラメータの絶対値の和を罰則項として加えることで、重要度の低い特徴量に対応するパラメータをゼロに近づけ、モデルを単純化する効果があります。一方、L2正則化は、パラメータの二乗和を罰則項として加えることで、パラメータの値全体を小さく抑え、モデルの複雑さを抑制します。このように、正則化はモデルの複雑さを適切に制御することで、過学習を防ぎ、未知のデータに対しても安定した予測精度を実現するための強力なツールとなります。ただし、最適な正則化の方法は、データやモデルによって異なるため、適切な正則化手法と強さを選択することが重要です。

正則化の種類	説明	効果
L1正則化	パラメータの絶対値の和を罰則項として加える	重要度の低い特徴量に対応するパラメータをゼロに近づけ、モデルを単純化する
L2正則化	パラメータの二乗和を罰則項として加える	パラメータの値全体を小さく抑え、モデルの複雑さを抑制する

正則化の種類

機械学習において、モデルの複雑さを調整し、過剰適合を防ぐための重要なテクニックとして正則化があります。代表的な正則化の手法として、「L1正則化」と「L2正則化」の二つが挙げられます。

L1正則化は、モデルのパラメータの絶対値の和を罰則項として損失関数に加える手法です。この手法は、重要度の低いパラメータを積極的にゼロに近づける効果があり、スパースなモデル、つまり多くのパラメータがゼロであるようなモデルを生成します。そのため、L1正則化は、特徴量選択にも用いられます。

一方、L2正則化は、モデルのパラメータの二乗和を罰則項として損失関数に加える手法です。L2正則化は、パラメータの値を全体的に小さく抑える効果があります。これは、モデルの複雑さを抑制し、滑らかで汎化性能の高いモデルを学習することに繋がります。

どちらの手法が適しているかは、扱うデータやモデルの構造によって異なります。例えば、解釈性を重視する場合や、本当に効いている特徴量を選びたい場合はL1正則化が適しています。一方で、予測精度を重視する場合はL2正則化が適していることが多いです。

項目	L1正則化	L2正則化
別名	Lasso	Ridge
罰則項	パラメータの絶対値の和	パラメータの二乗和
効果	– 重要度の低いパラメータをゼロに近づける – スパースなモデルを生成	– パラメータの値を全体的に小さくする – モデルの複雑さを抑制 – 滑らかで汎化性能の高いモデルを学習
利点	– 特徴量選択に有効 – モデルの解釈性を高める	– 安定した性能 – 予測精度が高い
欠点	– パラメータのスケールに影響を受けやすい	– スパースな解が得られない
適したケース	– 解釈性を重視する場合 – 本当に効いている特徴量を選びたい場合	– 予測精度を重視する場合

正則化の効果

– 正則化の効果機械学習において、モデルの学習には多くの場合、大量のデータを使用します。この学習データにあまりにも適合し過ぎてしまうと、新しいデータに対してはうまく予測できないという問題が発生します。これを過学習と呼びます。過学習が発生すると、一見性能の高いモデルに見えても、実際には未知のデータに対してはうまく機能しないため、実用性に欠けるモデルとなってしまうのです。そこで登場するのが正則化という技術です。正則化は、モデルの複雑さを抑えることで過学習を防ぎ、未知のデータに対しても精度良く予測できる能力、すなわち汎化性能を高める効果があります。具体的には、モデルのパラメータの値が大きくなりすぎるのを抑制することで、モデルが学習データの細かな特徴に過剰に適合することを防ぎます。その結果、モデルは学習データ全体から共通の傾向をより多く学習し、滑らかで安定した表現を獲得できるようになるのです。このように、正則化はモデルが学習データのみに偏ることなく、より汎用的な表現を獲得することを促す役割を担っています。その結果として、未知のデータに対しても安定した予測精度が期待できるようになり、機械学習モデルの実用性を高めるために非常に重要な技術と言えるでしょう。

問題	対策	効果
学習データに過剰適合（過学習） – 学習データに対しては高性能だが、未知データに弱い – 実用性が低いモデルになる	正則化 – モデルの複雑さを抑制 – パラメータの値が大きくなりすぎるのを抑制	汎化性能の向上 – 過学習の防止 – 学習データ全体から共通の傾向を学習 – 滑らかで安定した表現を獲得 – 未知データに対しても安定した予測精度

ヨビノリコラボで正則化を学ぼう！

機械学習のモデル構築において、過学習は避けて通れない問題です。そこで登場するのが「正則化」というテクニックです。正則化を適切に用いることで、モデルの汎化性能を高め、未知のデータに対しても精度が高い、よりロバストなモデルを構築することが可能となります。

今回は、日本最大規模の教育系YouTuberとして絶大な人気を誇る「ヨビノリ」さんとコラボレーション企画を実施しました！この企画では、多くの機械学習エンジニアにとって馴染み深い「L1正則化」と「L2正則化」について、予備校の授業さながらの分かりやすい解説で、理論面と実践面の両面から深く掘り下げています。

「正則化ってどんなもの？」「L1とL2の違いがよくわからない…」といった疑問をお持ちの方は、ぜひこの機会にヨビノリさんの動画をご覧ください！動画は下記のリンクからアクセスできます。
予備校のノリで学ぶ「L1/L2正則化」ヨビノリ&zerotooneコラボ企画第一弾

テーマ	概要	詳細
機械学習における過学習への対策	正則化というテクニックを用いる	モデルの汎化性能を高め、未知のデータに対しても精度が高い、よりロバストなモデルを構築することが可能
ヨビノリコラボ企画	L1正則化とL2正則化について解説	理論面と実践面の両面から深く掘り下げています。動画リンク：予備校のノリで学ぶ「L1/L2正則化」ヨビノリ&zerotooneコラボ企画第一弾