バックプロパゲーション

バックプロパゲーションは、人工ニューラルネットワークを訓練するためのアルゴリズムです。予測誤差を最小限に抑えるよう重みを調整することで、ニューラルネットワークが効率よく学習できるようにします。本用語集では、バックプロパゲーションとは何か、その仕組み、そしてニューラルネットワーク訓練のステップについて解説します。

バックプロパゲーションとは？

バックプロパゲーション（誤差逆伝播法）は、人工ニューラルネットワークの訓練に使われる教師あり学習アルゴリズムです。前回のエポック（反復）で得られた誤差率に基づき、ネットワークが重みを更新します。目的は、ネットワークの予測ができるだけ正確になるまで誤差を最小化することです。

バックプロパゲーションの仕組み

バックプロパゲーションは、ネットワーク内で誤差を逆方向に伝播させることで機能します。以下はそのプロセスのステップごとの内訳です。

1. 順伝播

• 入力層: 入力データがネットワークに供給されます。
• 隠れ層: データは1つまたは複数の隠れ層で処理され、各ニューロンが重みと活性化関数を適用して出力を生成します。
• 出力層: 最後の隠れ層からの重み付き入力を元に最終出力を生成します。

2. 損失計算

• 誤差計算: ネットワークの出力と実際のターゲット値を比較し、誤差（損失）を算出します。一般的な損失関数としては平均二乗誤差（MSE）やクロスエントロピー損失などがあります。

3. 逆伝播

• 勾配計算: 損失関数の勾配を各重みに対して計算します（微分の連鎖律を適用）。このステップでは、損失を各重みに対する偏微分を求めます。
• 重み更新: 計算した勾配を用いて重みを更新します。学習率（ハイパーパラメータ）が重みの更新幅を決定します。更新則は通常
  w_new = w_old – η ∂L/∂w
  で表され、ηは学習率、∂L/∂wは損失（L）の重み（w）に対する勾配です。

4. 反復

• 繰り返し: ステップ1～3を、あらかじめ決めたエポック数または損失が十分小さくなるまで繰り返します。

バックプロパゲーションによるニューラルネットワークの訓練

ニューラルネットワークの訓練には、いくつかの重要なステップがあります。

1. データ準備

• データセット: データセットの収集と前処理を行います。
• 正規化: すべての入力特徴量を同一スケールに正規化します。

2. モデル初期化

• アーキテクチャ: 層数や各層のニューロン数などネットワークの構造を定義します。
• 重み初期化: 通常は小さなランダム値で重みを初期化します。

3. 訓練ループ

• 順伝播: ネットワークの出力を計算します。
• 損失計算: 予測値と実際の出力との損失を計算します。
• 逆伝播: 各重みに対する損失勾配を計算します。
• 重み更新: 勾配と学習率を用いて重みを更新します。
• エポック: このプロセスを複数エポック繰り返し、重みを洗練させます。

4. 評価

• 検証: 訓練済みモデルを別の検証データセットでテストし、性能を評価します。
• 調整: 学習率やバッチサイズ、エポック数などのハイパーパラメータを検証結果に応じて微調整します。

バックプロパゲーションの原則

• 連鎖律: 多層ネットワークで勾配を計算するための数学的基本原理です。
• 勾配降下法: 損失関数を最小化するための最適化アルゴリズムです。
• 学習率: モデルの重みをどの程度変化させるかを決めるハイパーパラメータです。

参考文献:

• GeeksforGeeks – ニューラルネットワークにおけるバックプロパゲーション
• Wikipedia – バックプロパゲーション
• Neptune.ai – ニューラルネットワークにおけるバックプロパゲーションアルゴリズムの包括的ガイド