【機械学習基礎】fit()で学習、predict()で予測【scikit-learn】

最も基礎的な機械学習の例はXOR演算。

機械学習を使うまでもない、if文で十分に回答は得られる。
しかし、複雑過ぎるモデルをいきなり学んでもイメージが掴みずらいので、
XOR演算のようなものを利用する。

アヤメの品種分類よりも基礎的な内容だが、
XORは考えなしに解ける問題ではない。

Pythonで機械学習をするのにメジャーな「scikit-learn」を使用する。

scikit-learn(サイキットラーン)は機械学習の最重要ライブラリ

scikit-learnは「サイキットラーン」と読む。

scikit-learnはAnacondaをインストールすればついてくる。
Anacondaをインストールしていない人はこちら→MacにAnacondaをインストールする

scikit-learnは無料で誰でも使うことができる。オープンソースプロジェクトなので、いつもどこかの天才たちが開発・改良してくれている。
機械学習においてscikit-learnはとても重要で、機械学習するためのいろいろなアルゴリズムが準備されている。機械が学習するための手法はたくさんある。データによって、選ぶべきアルゴリズムは異なるわけだが、scikit-learnを使えば手軽に多くのアルゴリズムを試すことができる。ある方法(アルゴリズム)では上手く学習できなかったのに、ある方法では上手くいくことがある。

scikit-learnの公式のユーザーガイドとAPIドキュメント
scikit-learn公式ユーザーガイド→http://scikit-learn.org/stable/user_guide.html
APIドキュメント→http://scikit-learn.org/stable/modules/classes.html

XOR(排他的論理和)とは

XOR(排他的論理和)とは、二つの値のどちらかが真で、どちらかが偽の場合に真となるような性質を持つ。

イケメン 金持ち 結婚
0(イケメンじゃない) 0(貧乏) 0(結婚しない)
1(イケメン) 0(貧乏) 1(イケメンだから許す)
0(イケメンじゃない) 1(金持ち) 1(金持ちだから許す)
1(イケメン) 1(金持ち) 0(揃いすぎて怖い)
X Y Z

どっちかがOKなら真だけど、両方ダメなのと両方OKなのは偽、という論理。
単純に一本の線で分類できない。

データと目的があってこその機械学習

たとえば上の例で言う。
あなたがもし結婚相談所で今までに100人と会ってみたとする。その100人の中で、あなたが「いい人だな」と思いデートまでいったのが20人だとする。ひどい話かもしれないが、デートに行く気にもなれなかった80人と会ったのは時間の無駄だったと考える。これから時間の無駄にならない人に効率的に出会うにはどうすればいいか。そこで機械学習を登場させ、分析をしてみるわけだ。
今までに会った人の中でイイなと思わなかった人は、金もなくて顔もイマイチ、もしくは金も顔も良すぎて自分には無理な人間だったとする。顔が気に入っているか、金持ちであれば安心して関係を進めていける。

まとめると、
データ:今までに出会った人
目的:より効率的に結婚相手を探す

scikit-learnで実装

K最近傍法

上記のコードは機械学習基礎において最もシンプルなコードのうちの一つだろう。

learn_dataが学習すべきデータ、learn_labelがその結果(答え)である。
言い換えれば、learn_dataがイケメンかどうか、金持ちかどうかを示している。learn_labelは結婚するかしないかを示している。

今回は分類問題、結婚するorしない、というシンプルなもの。
分類問題を解くにも様々なアルゴリズムがあるが、今回はKNeighborsClassifier(K最近傍法)を採用。n_neighborsは近傍点を何個にするかという設定。今回は1個。学習用データに含まれる点の中で、予測したいデータに最も近いものを見る。

このアルゴリズムはどうやって選んだのか。自分が解く問題にはどのアルゴリズムを採用すればいいのか。
それは下記のscikit-learnのアルゴリズムチートシートを参照。

この画像はhttp://scikit-learn.org/stable/tutorial/machine_learning_map/index.htmlより引用させてもらい、矢印や文字を付け加えさせてもらった。

clf.fit(learn_data, learn_label)という部分で、KNeighborsClassifierに基づき学習する。fit()と書くだけで学習できるのはすごいことだ。

この段階で機械学習は完了しているが、機械学習にとって大事なのはデータが与えられた時に予測ができ、その予測精度が高いことである。

predict()で予測し、accuracy_scoreで予測精度を出している。実行すると、以下のようにでる。
予測対象: [[0, 0], [1, 0], [0, 1], [1, 1]] , 予測結果→ [0 1 1 0]
正解率= 1.0

予測対象に対して、正確な予測結果が出ている。正解率は1.0、すなわち100%だ。

アルゴリズムを変えてみる。SVM(サポートベクターマシン)

アルゴリズムを簡単に変えることができるのがscikit-learnの大きな特徴だ。

試しにサポートベクターマシン(support vector machine:SVM)を使ってみる。

変更したのはたったの2箇所。
SVMをインポートする冒頭の部分と、アルゴリズムの指定のところだけ。

結果はK最近傍法と同じになる。

scikit-learnまとめ

アルゴリズムや、アルゴリズムにまつわる設定の値をいろいろ試す。
データを集め、選んだアルゴリズムにfitさせ、predictして検証する。accuracy(精度)が満足のいくように工夫を重ねる。

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