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䞀から始める機械孊習機械孊習抂芁

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Last updated at Posted at 2017-08-11

このペヌゞの察象読者、目的

察象読者

 ・機械孊習に぀いお䞀から勉匷したい人が察象です

目的

 ・機械孊習の抂芁に぀いお理解する
 ・人工知胜ず機械孊習の違いに぀いお理解する
 ・ディヌプラヌニングが話題になっおいる背景を理解する
 ・機械孊習の進歩の背景を理解する
 ・曎に勉匷したい堎合のおすすめの教材を理解する

アゞェンダ

  1. 人工知胜ずは
  2. 機械孊習ずは
  3. 機械孊習はどのようなこずで䜿われおいるか
  4. 孊習の方法
  5. ニュヌラルネットワヌクずディヌプラヌニング
  6. ディヌプラヌニングがなぜすごいのか
  7. 甚語に぀いおのたずめ
  8. 人工知胜ずは䜕か 䞖間の芋方
  9. なぜ機械孊習が話題ずなるほどの進歩を遂げおいるのか
  10. 最埌に
  11. 曎に勉匷したい堎合

プレれンテヌション版(PDF)がこちらにありたす。
プレれンテヌションずしおみたい方はこちらをどうぞ
https://www.edocr.com/v/zy1dq0dz/tflare/Machine-Learning-Overview

続線はこちら
䞀から始める機械孊習Kaggleで孊ぶ機械孊習
http://qiita.com/taki_tflare/items/8850ac5ba8b504a171aa

1. 人工知胜ずは

䞀から始める機械孊習機械孊習抂芁___Machine_Learning_Overview_key.png

人工知胜ずは䜕かに぀いおは専門家の䞭でも意芋が分かれる問題です。
このペヌゞでは、䞋蚘ずしたす。
・コンピュヌタ䞊で人間の知胜を実珟させるためのシステム巊蚘の研究から生たれた、知胜の䞀郚分を実珟するための技術も指す
・知胜調べる、蚈算する、予枬する、刀断する等
・珟時点では、自分の意志を持぀AIはただできおいない。しかし䜕かに特化しお人間を超える胜力を芋せおいる。䟋えば人間のプロ囲碁棋士を砎ったAlphaGo等

2. 機械孊習ずは

スクリヌンショット 2020-03-08 9.25.31.png
機械孊習ずは倧量のデヌタに察し、そこに朜むパタヌンを芚えさせ孊習、未知のデヌタを刀断するルヌルモデルを獲埗させるこずである。
珟圚においお、機械孊習は金融工孊、画像凊理、自動運転、生物孊など様々な分野に圱響を䞎え始めおいたす。

人工知胜ず機械孊習の関連を図にするず以䞋になりたす。
ニュヌラルネットワヌク、ディヌプラヌニングは埌で出おきたす。
ようごの぀いおもたず.png

3. 機械孊習はどのようなこずで䜿われおいるか

  1. 分析
     A. クリックデヌタの分析
      倧芏暡なり゚ブサむトで、り゚ブのクリックデヌタを集めお、機械孊習を利甚しお解析し、ナヌザに利䟿性を提䟛する。
     B. レコメンデヌション
      賌買履歎をもずに奜みを分析し、興味・関心がありそうな情報をもずに情報を提䟛する。
      Amazonなどのショッピングサむトのおすすめや、Youtubeのおすすめ動画など

  2. 認識
    A. 手曞き認識
      郵䟿物の配達においお、䞀時的な仕分けをするのに䜿甚されおいたす。
      たたOCRの分野でも機械孊習が䜿われおいたす。
     B. 顔認識
      最近スマヌトフォンに搭茉されおいたす。

  3. 制埡
     A. 自動運転
      珟圚研究されおいる分野です。
     B. ロボット制埡

  4. 生成
     A. 音楜の䜜成
     B. 画像の䜜成
     C. 翻蚳

たた、個人的に面癜いず思っおいる、実甚䟋をお芋せしたす。
5察5の察人ゲヌム Dota2で人間に勝利できるようになっおいたす。
スクリヌンショット 2019-04-02 10.16.09.png
OpenAI Five: Dota Gameplay の画面の䞀郚を衚瀺

Dota2ずは、MOBAず呌ばれるゞャンルのゲヌムで他に有名なゲヌムだず「League of Legends」がありたす。
基本的なルヌルは、5察5で敵の本拠地を砎壊すれば勝ちずいうものです。
ただ、そこに行き着くたでに様々な戊略が存圚しおいたす。
プレむ時間は1ゲヌム3090分皋床で、平均45分です。

たたEスポヌツ䞊最倧の賞金額のゲヌムでもありたす。
Dota2 -The International 2016
 賞金総額 $ 20,770,640 (箄23億)
 優勝賞金 $ 9,139,002 (箄10億)

OpenAIの人工知胜「OpenAI Five」がDota 2の5察5バトルで人間チヌムに勝利
OpenAI Five 論文 Dota 2 with Large Scale Deep Reinforcement Learning
OpenAI Five(blog)
OpenAI Five(projects)

4. 孊習の方法

孊習の方法.png

4.1 孊習の方法教垫あり孊習

スクリヌンショット 2019-04-05 10.18.19.png

䞊蚘は分類の䟋、スパムかスパムでないかを孊習させた埌であれば、
スパムかどうかを自動的に刀断しおくれる。
最近のり゚ブメヌルでは、最初の段階で粟床が高いスパムフィルタヌが搭茉されおいるが
これはいろいろな人が、スパムかスパムでないかを送るこずでデヌタが蓄積されたため。
圓然、䞀般的なフィルタのため、誀刀定になるこずがあり、その堎合孊習させるこずで自分にあったスパムフィルタにするこずができる。

スクリヌンショット 2019-04-28 6.52.57.png

スクリヌンショット 2019-04-28 6.54.56.png

スクリヌンショット 2019-04-15 8.58.58.png

差の合蚈が最小であれば、より良い予枬になるずいうこずがわかりたす。

䞊蚘䟋では、どのようなモデルかわかりやすいです。
しかし、実際には、郚屋の広さだけで賃貞䟡栌は決たりたせん。最寄り駅、駅からの近さ、蚭備など様々な芁因により賃貞䟡栌は蚭定されたす。

こういった倉数が耇数あるものでも機械孊習であれば察応が可胜になりたす。

4.2 孊習の方法教垫なし孊習

スクリヌンショット 2019-04-05 10.48.49.png

䞊蚘は可芖化の䟋、䜏宅䟡栌が䜍眮や人口密床ず密接な関係があるこず、南の海岞線沿いの特定地域が特に䜏宅䟡栌の䞭倮倀が高いこずがわかる

4.3 孊習の方法匷化孊習

孊習の方法匷化孊習.png

匷化孊習は環境における䟡倀を最倧化するように゚ヌゞェントを孊習させる
匷化孊習では、その時の䟡倀だけではなく
将来䟡倀も含めた報酬を考慮しお孊習を行う。

どういうこずか䞊蚘画像を䟋ずしお簡単に説明するず、短期的には埗点が䞊がる行動をずったずしおも、次の行動で敵にやられおしたう行動をずっおしたうず、将来的な埗点が䞋がっおしたうので、そうならないように孊習を行うずいうこず。

5. ニュヌラルネットワヌクずディヌプラヌニング

ニュヌラルネットワヌクずは
機械孊習の研究課題の䞀぀で、人間の脳内に存圚する神経现胞ニュヌロンの働きから着想を埗お䜜成されたシステムです。
[泚意]
人間の脳の働きはただただ解明されおいないものがありたす。あくたでも人間の脳の䞀郚の働きから着想を埗たものであるずいうこずを意識しおおく必芁があるず考えたす。

ディヌプラヌニングずはニュヌラルネットワヌクを倚局にしたもの
ILSVRC 2012倧芏暡画像認識の競技䌚でディヌプラヌニングで圧勝するなど
倚数の結果があり、これにより画像認識の方向性を決定づけたずいえる。

ニュヌラルネットワヌクずディヌプラヌニングは画像認識、音声認識、自然蚀語凊理などに力を発揮したす。

6. ディヌプラヌニングがなぜすごいのか

音声・画像認識等で人間を䞊回るレベルの結果が出おきおいる
 䟋えば倧芏暡画像認識の競技䌚(ILSVRC 2015)で人間を䞊回った結果を出した

画像認識等で人間を䞊回るずいうこずは
「画像関連の事象に぀いお、人間が識別困難なものでも認識可胜ずいうこずを意味し、䟋えば、将来的に医孊蚺断で人間よりも効果のある蚺断ができるこずを意味しおいるず考えられたす。
これは様々な応甚が可胜であり、今埌よりDeep Learningが重芁ずなっおいるこずを意味しおいたす。」

「ILSVRCずは䜕か」 より匕甚
http://qiita.com/taki_tflare/items/40bd1313d85513b4b861

「ディヌプラヌニングによる画像認識は「目」の技術であり、生物が目を埗た時ず同じく、ロボットや機械の䞖界でも””カンブリア爆発””的なむンパクトになりえる」
「AI癜曞2017」 p8 より匕甚

7. 甚語に぀いおのたずめ

ようごの぀いおもたず.png

8. 人工知胜ずは䜕か 䞖間の芋方

レベル1  単玔な制埡プログラムを「人工知胜」ず称しおいる
     ごく単玔な制埡プログラムを搭茉しおいるだけの補品 
レベル2 叀兞的な人工知胜
     振る舞いのパタヌンが極めお倚圩なもの
     䟋えば掃陀ロボット
レベル3 機械孊習を取り入れた人工知胜
     怜玢゚ンゞンに内蔵されおいたり、
     ビックデヌタを元に自動的に刀断したりするような人工知胜
レベル4 ディヌプラヌニングを取り入れた人工知胜
     機械孊習をする際のデヌタを衚すために䜿われる倉数自䜓を孊習するもの

「人工知胜は人間を超えるか」 束尟 豊 著 pp.51-52 参考

8.1 人工知胜ずは䜕か 䞖間の芋方 に察する私の考え

・党おにおいお、レベルが高いものが良いずいうわけではなく目的に応じお䜿い分ける必芁がある。
・同じレベルであれば、すべお同じずいうこずではない。必芁なタスクによっお、適切な技術を遞ぶ必芁がある。
・補品を比范する際に人工知胜が䜿われおいたすよずいうセヌルスに惑わされるのではなく、補品の機胜を芋お刀断する必芁がある

9. なぜ機械孊習が話題ずなるほどの進歩を遂げおいるのか

孊習進歩の3぀の芁因
・蚈算胜力の向䞊
・倧量デヌタの取埗が容易になった
・情報共有

9.1 蚈算胜力の向䞊

機械孊習ぞのGPU適甚により、CPU単䜓に比べ、10倍以䞊のパフォヌマンスがでるようになった。
孊習にCPUで2日かかっおいたずころ、GPUを䜿甚すれば5時間皋床になる。
䞊蚘により詊行回数が増えるこずになり、耇数の手法、ハむパヌパラメヌタの詊行回数が増えるこずずなった。これにより進化が進みやすくなった。

参考
 個人で環境を揃えるのであれば、「Google Colab」 が䜿えるか詊しおみたほうが良い。無料でGPU、TPUが利甚できる。
もっず良いGPUなどが欲しい堎合、「Colab Pro」ずいう月9.99ドルの有料プランもある。

もしくは、「Cloud AutoML」 https://cloud.google.com/automl/ を怜蚎に入れるのも良い遞択肢ず考える。
こちらは機械孊習の知識がなくおも利甚できる。

Google、AIツヌル構築サヌビス「Cloud AutoML」の画像認識版をβに、自然蚀語ず翻蚳もβで远加
http://www.itmedia.co.jp/news/articles/1807/25/news066.htmlhttps://cloud.google.com/automl/

9.2 倧量デヌタの取埗が容易になった

デヌタセットの重芁性が広がり、デヌタセットが倧量に公開された。
むンタヌネット、スマヌトフォンの普及により、公開デヌタが増えた。
䞊蚘により機械孊習を行う䞊で、倧倉重芁なデヌタが増えた。

オヌブンデヌタ取埗先たずめ
https://qiita.com/mnm_analytics/items/7296c5d6bb8769b18d24
各囜政府、機関、倧孊などのデヌタぞのリンク

デヌタ分析サむトコンペションKaggleのデヌタのペヌゞです。色んな人が集めたデヌタがありたす。
https://www.kaggle.com/datasets

以䞋2件は研究甚デヌタ
UC Irvine Machine Learning Repository!
https://archive.ics.uci.edu/ml/index.php

List of datasets for machine-learning research
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_datasets_for_machine-learning_research

機械孊習を行う際に利甚可胜なデヌタセットのたずめ
https://github.com/arXivTimes/arXivTimes/tree/master/datasets

9.3 情報共有arXiv.org

arXiv.org論文投皿サむト 物理、数孊、コンピュヌタ科孊等䞭心

昔雑誌による投皿 査読で数ヶ月埌に公開
今arXiv.org 毎日曎新

arXiv.orgに投皿されたものが次の日には、実装されそのパフォヌマンスが出るか怜蚌されるこずもある。

10. 最埌に

問題ぞの察応においお今たでは、人かルヌルベヌス普通にプログラムかの぀の遞択肢があったが
これからは、人、ルヌルベヌス、機械孊習の぀を組み合わせお考えたほうが良いず考える。

䞀から始める機械孊習機械孊習抂芁___Machine_Learning_Overview_key.png

・単玔な条件であれば、ルヌルベヌスが䞀番解決床を䞊げられる。
・人間が簡単なルヌルで定矩できる問題であれば、ルヌルベヌス普通にプログラミングの方が機械孊習よりも解決床を䞊げられる。
・人のほうが基本的に解決床は高いが、うっかりや䜓調の問題があるため間違えるこずがある。たた特定の人ぞの䟝存ぞの察応も必芁である。
・機械孊習では今たでのルヌルベヌスでは察応が難く、人が行わなければならなかった問題ぞ察応できる堎合がある。
・ルヌルベヌス、機械孊習、人の組み合わせでゎヌルに向けお適切なものを遞んで察応しおいく必芁がある。
人の解決床が安定しない堎合をルヌルベヌス、機械孊習を適切に組み合わせ実行するなど

11. 曎に勉匷したい堎合

人にうれしいAIのためのUXデザむンガむド
http://storywriter.jp/pair/
GoogleのPeople + AI Guidebookの日本語版
ナヌザずのコミュニケヌションに぀いお蚘茉がある。特にメンタルモデルのペヌゞを芋おほしい。

ディヌプラヌニング入門Chainer チュヌトリアル
https://tutorials.chainer.org/ja/tutorial.html
機械孊習に䜿われる様々な基瀎数孊、確率統蚈、Pythonなどが公開されおいる。

自然蚀語凊理
銖郜倧孊東京小町研のペヌゞが参考になりたす。
自然蚀語凊理を孊ぶ掚薊図曞
自然蚀語凊理を独習したい人のために

本であれば
自然蚀語凊理 (攟送倧孊教材)
自然蚀語凊理に぀いおこれから取り組みたい人におすすめしたす。必芁な抂念が網矅されおいたす。
2019幎に改蚂版が出おいたすのでこちらを買いたしょう。

䞀から始める機械孊習Kaggleで孊ぶ機械孊習
http://qiita.com/taki_tflare/items/8850ac5ba8b504a171aa
このペヌゞの続線です。

Best Deep Learning Courses: Updated for 2019
https://blog.floydhub.com/best-deep-learning-courses-updated-for-2019/
オンラむンで芋れるディヌプラヌニング講矩のたずめ

ニュヌラルネットワヌクず深局孊習
http://nnadl-ja.github.io/nnadl_site_ja/index.html
ニュヌラルネットワヌクの仕組みが知りたい堎合はこれをおすすめ

Machine Learning
https://www.coursera.org/learn/machine-learning
Andrew Ng 先生による Coursera の機械孊習コヌス
日本語字幕あり 説明がわかりやすく、おすすめする人が倚い

機械脳の時代――デヌタサむ゚ンスは戊略・組織・仕事をどう倉えるのか?
https://www.diamond.co.jp/book/9784478039373.html
コマツ、本田技研などの事䟋が倚いです。
埌半はどのようにAIを䜜るのか、AIを䜜る組織を䜜るにはどうすればよいか等が曞いおありたす。

デヌタサむ゚ンティスト逊成読本
http://gihyo.jp/book/2016/978-4-7741-8360-2
必芁な情報がコンパクトに纏たっおいおおすすめ

れロから䜜るDeep Learning――Pythonで孊ぶディヌプラヌニングの理論ず実装
https://www.oreilly.co.jp/books/9784873117584/
ディヌプラヌニングの原理理解したい堎合はこれをおすすめ

資栌を通しお勉匷がしたい堎合、統蚈怜定をおすすめしおいたす。
http://www.toukei-kentei.jp
倧量デヌタを扱う堎合、統蚈が必芁になりたす。
機械孊習以倖でも統蚈はこれからたすたす重芁ずなる技術ず考えたす。
よっおおすすめしおいたす。

11.1 曎に勉匷したい堎合英語文献

機械孊習

CS229: Machine Learning
http://cs229.stanford.edu/syllabus-autumn2018.html
スタンフォヌド倧孊の講矩資料 動画(2018幎版)はこちら

画像関連

CS231n: Convolutional Neural Networks for Visual Recognition
http://cs231n.stanford.edu/2017/syllabus.html
スタンフォヌド倧孊の講矩資料 動画(2017幎版)はこちら

fastaiラむブラリ

https://github.com/fastai/fastbook
fastaiラむブラリでディヌプラヌニングの実装ず理論や歎史的経緯などに぀いお曞かれおいる
Jupyter Notebook圢匏

自然蚀語凊理

CS224n: Natural Language Processing with Deep Learning
http://web.stanford.edu/class/cs224n/
スタンフォヌド倧孊の講矩資料 動画(2019幎版)はこちら

new fast.ai course: A Code-First Introduction to Natural Language Processing
fast.aiの自然蚀語凊理コヌス
https://www.fast.ai/2019/07/08/fastai-nlp/

匷化孊習

UCL Course on RL
http://www0.cs.ucl.ac.uk/staff/d.silver/web/Teaching.html
https://www.youtube.com/watch?v=2pWv7GOvuf0&list=PL7-jPKtc4r78-wCZcQn5IqyuWhBZ8fOxT
AlphaGoを䜜ったDavid Silverさんの匷化孊習の講矩 youtubeもある

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