モデルの選択・評価(シラバス 技術10)

学習目標

学習に使っていないデータに対する性能(汎化性能)を見積もる検証方法と、分類・回帰の代表的な評価指標を理解し、訓練誤差と汎化誤差の違いを踏まえて、データの量やビジネス上の目的に合った検証方法・指標・モデルの複雑さを選べるようにします。

要点

汎化性能と過学習

モデルに求められるのは、学習に使っていない新しいデータでよく当たることです。この力を汎化性能と呼びます。学習データに対する誤差(訓練誤差)が小さくても、未知のデータに対する誤差(汎化誤差)が大きければ役に立ちません。学習データの細かなノイズまで覚え込み、訓練誤差だけが小さくなった状態が過学習です。

検証の方法

  • ホールドアウト検証:データを学習用とテスト用に一度だけ分けて評価します。手軽ですが、分け方によって結果がぶれます。
  • 交差検証:分け方を変えながら学習と評価を繰り返し、結果を平均します。
  • k-分割交差検証:データをk個に分け、1つをテスト用、残りを学習用にする組み合わせをk通り試して平均します。データが少なくても、すべてのデータを評価に使えます。

分類の評価

混同行列は、実際の正例・負例と、予測の陽性・陰性の組み合わせを4つのマスに数えた表です。

  • 真陽性(TP)・真陰性(TN):正例を陽性、負例を陰性と正しく予測したもの。
  • 偽陽性(FP):負例を陽性と予測したもの(誤検知)。
  • 偽陰性(FN):正例を陰性と予測したもの(見逃し)。

ここから次の指標を計算します。

  • 正解率:(TP + TN) ÷ 全件数
  • 適合率:TP ÷ (TP + FP)。陽性と予測したもののうち、本当に正例だった割合です。
  • 再現率:TP ÷ (TP + FN)。実際の正例のうち、陽性と予測できた割合です。
  • F値:適合率と再現率の調和平均で、2 × 適合率 × 再現率 ÷ (適合率 + 再現率) です。

病気の見逃しを避けたい検査では再現率を、正常なメールを迷惑メールと誤判定したくないフィルタでは適合率を重視します。

ROC曲線・AUC:判定のしきい値を動かしたときの偽陽性率(横軸)と真陽性率(縦軸)の関係を描いたのがROC曲線、その下側の面積がAUCです。1に近いほどよく、でたらめな予測では0.5前後になります。

回帰の評価

  • 平均二乗誤差(MSE):予測と正解の差を2乗して平均した値です。大きく外れた予測に強く反応します。
  • 二乗平均平方根誤差(RMSE):MSEの平方根です。予測対象と同じ単位で誤差の大きさを表せます。
  • 平均絶対値誤差(MAE):差の絶対値の平均です。外れ値の影響をMSEやRMSEより受けにくい指標です。

モデルの複雑さと選択

パラメータを増やすと訓練誤差は下がりますが、過学習の危険が高まります。オッカムの剃刀は、同じくらい説明できるなら単純なほうを選ぶという考え方です。情報量規準はこれを数値にしたもので、値が小さいモデルほどよいと判断します。

  • 赤池情報量規準(AIC):-2 × 最大対数尤度 + 2 × パラメータ数
  • ベイズ情報量規準(BIC):-2 × 最大対数尤度 + log(データ数) × パラメータ数

BICはデータが多いほどパラメータへのペナルティが重くなります。データ数が8件以上ならAICより罰則が重く、単純なモデルを選びやすくなります。

G検定で問われる深さ

混同行列から正解率・適合率・再現率・F値を計算でき、どの場面でどの指標を重視するかを判断できることが中心です。AICとBICは、式の形と「小さいほどよい」「BICのほうが単純なモデルを選びやすい」まで押さえれば十分です。

つまずきやすい点

  • 偽陽性は実際は負例なのに陽性と予測したもの、偽陰性は実際は正例なのに陰性と予測したもので、「真・偽」は予測が当たったか、「陽性・陰性」は予測の内容を表す点
  • 適合率は正例と予測した件数を分母に、再現率は実際の正例の件数を分母にとる、という分母の取り違え
  • 負例が大半のデータでは、すべて負例と予測するだけで正解率が高くなり、モデルのよさを正しく表さない点
  • ROC曲線の横軸は偽陽性率、縦軸は真陽性率(再現率)であり、AUCはでたらめな予測で約0.5になる点

シラバスのキーワード

k-分割交差検証、平均二乗誤差(MSE)、二乗平均平方根誤差(RMSE)、平均絶対値誤差(MAE)、ROC曲線・AUC、赤池情報量規準(AIC)、オッカムの剃刀、過学習、交差検証、偽陽性・偽陰性、真陽性・真陰性、混同行列、正解率・適合率・再現率・F値、汎化性能、ベイズ情報量規準(BIC)、ホールドアウト検証

練習問題

  1. 適合率・再現率・F値の計算
  2. 少量データでの検証方法
  3. ROC曲線とAUCの読み方
  4. 情報量規準とモデルの複雑さ
  5. 回帰の誤差指標の計算
  6. 業務に応じた評価指標の選択
ほかの8問
  1. 学習誤差と検証誤差の比較
  2. AICによるモデル選択の計算
  3. AUCと運用条件でのモデル比較
  4. 混同行列とROC曲線上の点
  5. AICとBICで選ぶモデルの違い
  6. 大規模データでの検証方法
  7. 偽陽性と偽陰性の見分け
  8. 外れ値と回帰の評価指標の選択

混同しやすい用語

AIで作成 人による確認:未 誤りを報告

出典と作成について

作成:ウカトレ編集部(AIで作成し、別のAIが一次資料と照合。手順は編集方針)

最終更新日: 最終確認日:

対応シラバス:シラバス第1.4版 技術10

改訂履歴

機械学習の概要の中項目
  1. 教師あり学習
  2. 教師なし学習
  3. 強化学習
  4. モデルの選択・評価

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