正則化とは

せいそくかregularization

1行定義

正則化とは、モデルが訓練データに合わせすぎる過学習を抑え、未知のデータに対する性能を高めるために、学習に制約を加える工夫のことです。

くわしく

正則化は、機械学習のモデルが訓練データの細かな癖やノイズまで覚えてしまう過学習を防ぐための工夫の総称です。目標は、訓練データでの成績ではなく、まだ見ていないデータでの成績(汎化性能)を上げることにあります。

罰則項を加える正則化

代表的な方法は、誤差関数に重みの大きさに応じた罰則項を足すことです。式ではE(w) + λR(w)と書きます。λは正則化の強さを決めるハイパーパラメータです。モデルは、誤差を減らしながら、重みを大きくしすぎないように学習します。

  • L0正則化:0でない重みの個数を罰則にします。考え方は単純ですが、最適化が組合せの問題になり、そのままでは解きにくい方法です。
  • L1正則化:重みの絶対値の和を罰則にします。一部の重みがちょうど0になり、使う特徴量が絞られます。線形回帰に加えたものがラッソ回帰です。
  • L2正則化:重みの二乗和を罰則にします。重みを全体的に小さく保ちます。線形回帰に加えたものがリッジ回帰です。

罰則項を使わない正則化

ディープラーニングでは、学習の手順に手を加える方法もよく使います。学習中にニューロンの一部を無作為に無効にするドロップアウト、検証データの誤差が悪化し始めたら学習を止める早期終了、データを加工して水増しするデータ拡張などです。いずれも汎化性能の改善を狙う点で、広い意味の正則化に含まれます。

強さの調整

λが小さすぎると過学習が残り、大きすぎるとモデルが単純になりすぎて未学習になります。そのため、検証データや交差検証で適切な値を選びます。

正規化との違い

名前の似た正規化は、入力や中間層の値の範囲をそろえて、学習を安定させる処理です。目的が異なるので、区別して覚えます。

覚え方

「正則化の『則』はルール。モデルにルールを課して、データに合わせすぎないようにする」と覚えます。

G検定での出題

正則化の目的が訓練誤差ではなく汎化誤差の改善にあること、L0・L1・L2正則化の罰則の違い、ラッソ回帰・リッジ回帰との対応、ドロップアウトとの関係、正規化との区別が問われます。

混同しやすい用語

用語意味
バッチ正規化ミニバッチ内のデータから特徴ごとの平均と分散を求め、層への入力を平均0・分散1にそろえて学習を安定させる手法

違いを表で比べる:正規化と正則化

◯×チェック

  1. 正則化の主な目的は、訓練データに対する誤差をできるだけ小さくすることである。

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    答え × 誤り

    正則化は、訓練データへの当てはまりを少し犠牲にしてでも、未知のデータに対する誤差(汎化誤差)を下げることを狙います。

  2. 早期終了のように、誤差関数に罰則項を加えない方法も、過学習を抑える働きから正則化の一種として扱われることがある。

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    答え ◯ 正しい

    広い意味の正則化は、汎化誤差を下げるための学習の工夫全般を指します。ドロップアウトやデータ拡張も、同じ考え方で正則化に含められます。

  3. 正則化の強さを表す係数を大きくしすぎると、モデルが単純になりすぎて、訓練データにも十分に当てはまらない状態になりやすい。

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    答え ◯ 正しい

    重みが強く0の方向へ押されて表現力が落ち、未学習になります。係数は、検証データや交差検証で選びます。

練習問題

正則化の問題(8問)
  1. 重回帰分析の多重共線性
  2. 学習誤差と検証誤差の比較
  3. L1・L2罰則項の計算
  4. リッジ回帰の偏りとばらつき
  5. 正則化と正規化の区別
  6. バッチ正規化の効果
  7. データ拡張の目的と限界
  8. マルチタスク学習の利点と注意点

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)

公開日: 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14

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