丹羽の卒論日誌の履歴(No.18)

丹羽の卒論日誌

 https://www.str.ce.akita-u.ac.jp/~gotouhan/aono/a.txt

python
6月
- 6/9
- 6/5
- 6/4
- 6/3
- 6/2
5月
- 5/29
- 5/28
- 5/27
- 5/25
- 5/21
- 5/20
データの比率に違いがあることで起きる問題
- 5/18

python†

PEP 668 以降は、「pip install 〜は仮想環境の中で行う」が前提条件になった．
仮想環境の設定は以下
```
python3 -m venv .venv(最初のみ)
source .venv/bin/activate　←仮想環境に入る
これでpip installができる
deactivate ←仮想環境から出る
```
コマンドの表示と実行 →python:インタープリターを選択 →VSコードでも仮想環境に入ることができる

6月†

6/9†

・ロス数を平均化したほうがのちのち都合が良いので平均化する．
・train accuracyを毎回表示していると実行に時間がかかるのでやめる．
・Dropoutを導入してモデルに応用力をつける．
・Schedulerを導入して学習率を意図的に下げ，学習の調整を細かくする．

Dropoutとは：
Dropoutとはニューラルネットワークの学習中に、各層の一部のニューロンをランダムに無効化する手法である．
イメージは学習のたびにネットワークの一部を休ませることでさまざまな経路で学習させる方法．これにより，特定のニューロンへの依存が減るため，モデルの汎用性が高まったり，過学習を防いだりといった効果が期待できる．

結果 (cifar-env) kouzou@ii21:~$ /home/kouzou/cifar-env/bin/python /home/kouzou/python/cifar-env/cifar_cnn.py epoch: 0 loss: 1.72 test accuracy : 0.5144

epoch: 1 loss: 1.49 test accuracy : 0.5245

epoch: 2 loss: 1.38 test accuracy : 0.6027

epoch: 3 loss: 1.32 test accuracy : 0.6275

epoch: 4 loss: 1.28 test accuracy : 0.6424

epoch: 5 loss: 1.20 test accuracy : 0.6842

epoch: 6 loss: 1.17 test accuracy : 0.6899

epoch: 7 loss: 1.15 test accuracy : 0.6941

epoch: 8 loss: 1.13 test accuracy : 0.6966

epoch: 9 loss: 1.12 test accuracy : 0.7020

final train accuracy: 0.6789 final test accuracy : 0.7020 精度が上がらない，epochが10と少ないのに学習率を下げたからと考えられるのでSchedulerを一回やめる，Dropoutも一回やめて，実行に時間はかかるが，epoch数を20に増やしてみる．

結果 (cifar-env) kouzou@ii21:~$ /home/kouzou/cifar-env/bin/python /home/kouzou/python/cifar-env/cifar_cnn.py device = cuda epoch: 0 loss: 1.47 test accuracy : 0.5780

epoch: 1 loss: 1.16 test accuracy : 0.6445

epoch: 2 loss: 1.05 test accuracy : 0.6615

epoch: 3 loss: 0.98 test accuracy : 0.6726

epoch: 4 loss: 0.92 test accuracy : 0.7146

epoch: 5 loss: 0.89 test accuracy : 0.7112

epoch: 6 loss: 0.86 test accuracy : 0.7355

epoch: 7 loss: 0.83 test accuracy : 0.7273

epoch: 8 loss: 0.81 test accuracy : 0.7467

epoch: 9 loss: 0.79 test accuracy : 0.7415

epoch: 10 loss: 0.77 test accuracy : 0.7508

epoch: 11 loss: 0.75 test accuracy : 0.7490

epoch: 12 loss: 0.74 test accuracy : 0.7582

epoch: 13 loss: 0.72 test accuracy : 0.7664

epoch: 14 loss: 0.71 test accuracy : 0.7587

epoch: 15 loss: 0.70 test accuracy : 0.7544

epoch: 16 loss: 0.69 test accuracy : 0.7779

epoch: 17 loss: 0.68 test accuracy : 0.7691

epoch: 18 loss: 0.66 test accuracy : 0.7787

epoch: 19 loss: 0.66 test accuracy : 0.7784

final train accuracy: 0.7683 final test accuracy : 0.7784
77%と精度が上がった．

次は80%以上まで上げたい．よって３層目の畳み込み層を追加してみることにした．

結果 kouzou@ii21:~$ /home/kouzou/cifar-env/bin/python /home/kouzou/python/cifar-env/cifar_cnn.py

source /home/kouzou/cifar-env/bin/activate

device = cuda epoch: 0 loss: 1.38 test accuracy : 0.6097

epoch: 1 loss: 1.01 test accuracy : 0.6555

epoch: 2 loss: 0.89 test accuracy : 0.7165

epoch: 3 loss: 0.81 test accuracy : 0.7134

epoch: 4 loss: 0.76 test accuracy : 0.7484

epoch: 5 loss: 0.71 test accuracy : 0.7624

epoch: 6 loss: 0.67 test accuracy : 0.7605

epoch: 7 loss: 0.65 test accuracy : 0.7712

epoch: 8 loss: 0.62 test accuracy : 0.7708

epoch: 9 loss: 0.60 test accuracy : 0.7969

epoch: 10 loss: 0.58 test accuracy : 0.7918

epoch: 11 loss: 0.56 test accuracy : 0.8075

epoch: 12 loss: 0.55 test accuracy : 0.7877

epoch: 13 loss: 0.53 test accuracy : 0.8163

epoch: 14 loss: 0.52 test accuracy : 0.8106

epoch: 15 loss: 0.51 test accuracy : 0.8187

epoch: 16 loss: 0.49 test accuracy : 0.8118

epoch: 17 loss: 0.48 test accuracy : 0.8127

epoch: 18 loss: 0.47 test accuracy : 0.8176

epoch: 19 loss: 0.46 test accuracy : 0.8307

final train accuracy: 0.8537 final test accuracy : 0.8307
83%まで精度が上がった．

↑

6/5†

epoch数を10にして再び学習
poch: 0 loss: 1454.0281460285187 train accuracy: 0.37928 test accuracy : 0.3776

epoch: 1 loss: 1312.5663577318192 train accuracy: 0.43784 test accuracy : 0.4368

epoch: 2 loss: 1255.8324360847473 train accuracy: 0.44384 test accuracy : 0.4342

epoch: 3 loss: 1225.7701717615128 train accuracy: 0.4555 test accuracy : 0.4453

epoch: 4 loss: 1197.299763083458 train accuracy: 0.46088 test accuracy : 0.4494

epoch: 5 loss: 1176.6848516464233 train accuracy: 0.45176 test accuracy : 0.439

epoch: 6 loss: 1155.949428319931 train accuracy: 0.4852 test accuracy : 0.4715

epoch: 7 loss: 1145.0654866695404 train accuracy: 0.49966 test accuracy : 0.4809

epoch: 8 loss: 1131.507185101509 train accuracy: 0.4894 test accuracy : 0.4708

epoch: 9 loss: 1119.446041584015 train accuracy: 0.49018 test accuracy : 0.4643

epoch数7でテストデータの正解率が頭打ちになり，８以降から下がっているため，過学習が行われてしまっている．したがってこれからはepoch数を7とする．

モデルをCNNに変えてみた.epoch数は６．
結果
kouzou@ii21:~$ /home/kouzou/cifar-env/bin/python /home/kouzou/python/cifar-env/cifar_cnn.py epoch: 0 loss: 1139.25 train accuracy: 0.5978 test accuracy : 0.5882

epoch: 1 loss: 837.40 train accuracy: 0.6725 test accuracy : 0.6484

epoch: 2 loss: 708.00 train accuracy: 0.7027 test accuracy : 0.6608

epoch: 3 loss: 624.75 train accuracy: 0.7513 test accuracy : 0.6909

epoch: 4 loss: 556.14 train accuracy: 0.7853 test accuracy : 0.7007

epoch: 5 loss: 479.45 train accuracy: 0.8171 test accuracy : 0.7008

正解率は70%まで上昇した．間違えた画像をいくつか見てみたが法則性はなさそうだった．

更に精度を上げるためにデータを拡張してみる．データの拡張とは，たとえば１つの犬の画像を左右反転したり切り取って位置を変えたりして様々な味方をすることでデータを増やすという方法．
結果 epoch: 0 loss: 1143.16 train accuracy: 0.5662 test accuracy : 0.5652

epoch: 1 loss: 867.45 train accuracy: 0.6465 test accuracy : 0.6402

epoch: 2 loss: 768.89 train accuracy: 0.6578 test accuracy : 0.6424

epoch: 3 loss: 703.50 train accuracy: 0.6845 test accuracy : 0.6696

epoch: 4 loss: 662.69 train accuracy: 0.7149 test accuracy : 0.6994

epoch: 5 loss: 625.14 train accuracy: 0.7345 test accuracy : 0.7150

epoch: 6 loss: 602.43 train accuracy: 0.7368 test accuracy : 0.7216

epoch: 7 loss: 573.49 train accuracy: 0.7539 test accuracy : 0.7315

epoch: 8 loss: 557.15 train accuracy: 0.7562 test accuracy : 0.7317

epoch: 9 loss: 544.22 train accuracy: 0.7579 test accuracy : 0.7293

正解率が２〜３％上昇した．

BatchNormを入れてみる．これを入れると中間層でスケールを揃えてくれる．
結果
epoch: 0 loss: 1146.65 train accuracy: 0.5569 test accuracy : 0.5911

epoch: 1 loss: 908.52 train accuracy: 0.6080 test accuracy : 0.6496

epoch: 2 loss: 818.68 train accuracy: 0.6324 test accuracy : 0.6592

epoch: 3 loss: 762.90 train accuracy: 0.6769 test accuracy : 0.7033

epoch: 4 loss: 723.64 train accuracy: 0.6831 test accuracy : 0.7015

epoch: 5 loss: 691.66 train accuracy: 0.7062 test accuracy : 0.7291

epoch: 6 loss: 669.03 train accuracy: 0.7056 test accuracy : 0.7216

epoch: 7 loss: 642.19 train accuracy: 0.7261 test accuracy : 0.7416

epoch: 8 loss: 628.23 train accuracy: 0.7339 test accuracy : 0.7517

epoch: 9 loss: 608.50 train accuracy: 0.7405 test accuracy : 0.7526

2%ほど正解率が上がった．

↑

6/4†

CIFAR-10という動物や車，飛行機の画像が大量にあるデータをつかって機械学習の練習をした．
画像例

まずは代表的なNNであるMLPをつかって行った．epochは３で行った．

結果:
epoch: 0 loss: 1452.5976511240005 accuracy: 0.36034

epoch: 1 loss: 1307.6552993059158 accuracy: 0.40218

epoch: 2 loss: 1258.6369264125824 accuracy: 0.45128

正解率45％と非常に低い．
間違えた画像の一部を表示した．

ここから考察するに間違いに法則性がないため単純に精度が低い．
明日やること:CNNでやってみる，またそこからさらに正解率を上げるにはどうしたらいいか考える．

↑

6/3†

自分が手書きで書いた星を見せたときどんな数字だとモデルが判断するのか試してみた．

結果，８と判断した．当然星なので８ではない．このモデルはどんなに数字とはちがくても０〜９のどれかで答えを出すようになっているので，次に確信度0.7以下では数字ではない可能性があると判断できるようにした．
しかし，結果は８で確信度は0.994つまり99.4%と非常に高い確信度で８と判断してしまったので，何が原因か考えている．
他の数字ではない画像で試してみた．

これらの画像も確信度９９％で０，９８％で４と判断されてしまった．

・なぜ，数字ではない画像を見せたときに確信度が０．７以下とならず，９９％で何らかの数字が選ばれるかの考察
まず，いろいろな数字ではない図形を見せても９９％で何らかの数字だと判断される時点で，このモデルがおかしいのではなく，正常に動いた結果そのように判断されていると考察できる．
では，なぜ９９％で何らかの数字が出るのか考えてみた．今回のモデルの場合の確信度とはモデルがこの数字だと判断したときの自信の度合いを表す．つまり０か６かで悩んでいた場合は確信度は低くなるということである．このことから今回，数字ではない画像を見せたとき，例えば渦巻の部分的な特徴が０の部分的な特徴と似ていただけでなく他の数字だと０に比べて似ている特徴が少なかったため０が圧倒的有力候補になってしまったと考えられる．
試しに，０か６か判別しづらそうな画像を見せてみた．

この結果は’数字ではない可能性があります’と出た！つまり上記の考察のもとで考えるとモデルは０か６かで迷って確信度が０．７よりも低くなったため数字ではない可能性がありますと出たと考えられる．
よって数字ではない画像を数字ではないと判別するには，学習データに大量の数字ではないデータを新たに取り入れ，クラス分けを０〜９だけでなく＋unknownのようにする必要があると考察できる．

そもそも教師あり学習は特徴量と正解データによって正解を予想するので，学習させてないパターンの画像を見せてもうまく行くわけがないと思った．今回の練習で教師あり学習の基礎を再び思い出すことができた．

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6/2†

今回は自分の手書きの数字４に線や点などの障害物を加えたときに，うまく４と判別できるか試してみる．さらに新たに確信率というものを加えた．確信度とは，モデルが数字を判断するにあたってどれくらいの自信をもって判断しているかの指標である．
たとえば自分が手書きで書いた数字６でテストした結果コレは６ですと判断したとする．一見すると正解しているので良いと思われるが，確信度が0.60，つまり60%であった場合，モデルはあまり自信ないけど多分６というように判断しているということになる．つまり，答えを出す過程がわかるのでより解像度を上げやすい．

結果：ノイズをいれても４と判断してくれた確信度は１００％と非常に良い．
テスト精度は９９．０６％と高いが，間違えているところを見ると０と６で間違えていた．←これは人間でも間違えやすい

明日やること，数字ではない図形を見てどう判断するのか見てみる．このモデルは０〜９のどれかの数字であるとしか判断することができないため，数字ではないものを見せたらどうなるのか見てみたい．

↑

5月†

↑

5/29†

昨日よりもさらに精度を上げるためにエポック数を3から10に増やした．（しかし，増やしすぎると初見データに弱くなるという過学習が生じるので注意）
結果は97．94%と上昇した．

・更に精度を上げるためにCNNに変えてみた．
　結果，テスト精度が99．07%まで，上昇した．今までlossが低くて20くらいだったが，5くらいまで下がった．

・CNN（畳み込みニューラルネットワークとは） NNの一種で画像処理に特化している．NNは画像を単なる数値として処理しているのでピクセルの並びそのものを覚えているというイメージ．したがって画像の中の対象の位置，場所にとても強いわけではない．一方でCNNは特徴を局所で見る，画像の中の対象の特徴を部品として見るので位置がちがくても対応することができる．つまり，NNは場所ごとの意味を持たないが，CNNは特徴のパターンを学んでいるため位置に強いのである．

CNNは3つの要素で構成されている．
・畳み込み層：局所的な部分の特徴を見つける．小さなフィルター（重み行列）をスライドさせ，エッジを見つける）
・プーリング層：特徴を圧縮する．画像データは大量の数値の塊である，そこで局所的な領域の行列の最大値だけを残すことで情報量を簡素化し，小さな誤差や不要な情報を排除する．
・全結合層：畳み込み＋プーリングによって得られた特徴の集合からすべての特徴を重み付きで計算して最終的な判断を下す．

↑

5/28†

MNISTというものを用いて機械学習の練習をした．
・MNISTとは

 MNISTとは、機械学習や画像認識の分野でよく使われる有名なデータセット.MNISTは、「0〜9の手書き数字画像」を集めたデータセットで、主に画像分類アルゴリズムの学習・評価に使われる~

　具体的には：
　0〜9の数字（10クラス）
　白黒の小さな画像（28×28ピクセル）
　学習用に約60,000枚、テスト用に約10,000枚
　という構成になっている．

・今回使ったモデル：ニューラルネット

・ニューラルネットが画像処理に強い理由

画像	ニューラルネット
----------	------------
点が近いと線になる	近い情報から特徴を作る
線が集まって形になる	特徴を積み上げて形になる

なので相性が良い．例えば決定木では位置や形に弱く，質問を投げるだけで法則を見つけ出すのは非常に難しい．
ニューラルネットは層に分けて画像の特徴を計算するのでうまく行きやすい．

・6万個のデータを3回学習させてできたモデルのテスト精度は96．92%と高い数値であった．

・次に自分が手書きで書いた数字「３」を学習させたモデルに見せてちゃんと３と判別するのか試してみる．

結果は３とでて，当てることに成功した．テスト精度は97．22%だった．

↑

5/27†

・欠損値が欠けているとき，そのデータが時系列データのとき，欠損値の穴埋めは線形補間が有効．時系列データには「相互に依存する」という特徴があるため欠損値の前後の値をもとに欠損値を予測することは非常に有効．
・前処理の段階で，欠損値を予測するために機械学習を行うのも有効．

↑

5/25†

・axis=0 → 縦方向（行をまたぐ）
・axis=1 → 横方向（列をまたぐ）

・前回まではホールドアウト法によってデータをテストデータと訓練データに分割したが，トライ&エラーを繰り返しているうちにテストデータに都合がいいようにチューニングしていると言える．

→したがってこの問題に対処するために，
　①学習に使用するデータ
　②学習には使用せずにチューニングの参考に使用するデータ
　③チューニングを行った最終的な学習済みモデルに対して予測性能を評価するためのテストデータ
　の3つに分割する．

・使用する特徴量を絞り込む際，はずれ値をチェックしてから，相関係数をチェック．理由はこの順番を逆で行うと相関係数が外れ値の影響を受けてしまうから．

・重回帰分析ではAIによってつくられた計算式の係数の大きさでそれらの特徴量の影響度を比較するが影響度が大きいとはいえ，その特徴量を１増やす労力が非常に大変で結果，係数は小さいがその特徴量のほうが影響を出しやすいという場合が存在する．

↑

5/21†

model = tree.DecisionTreeClassifier(max_depth = 5,
random_state = 0,class_weight ='balanced')

は不均衡データで比率の大きいデータの影響力を小さくし，比率の小さいデータの影響力を大きくするため分岐条件を考える際の影響度という点で均一になり，予測性能の高いモデルを作れる確率が上がる．

昔の pandas は：

mean()

すると文字列列を自動無視してくれました。

今の pandas は：

「文字列があるならエラーにする」

という仕様になっています。

今後のコツ

groupby().mean() を使うときは、

['Age'] ['Fare'] ['Survived']

みたいに、

「どの数値列を平均するか」

を明示すると安全です。

決定木を深くするということはたくさんの分岐条件を設定することができる
→モデルの構成がより複雑になる
→予測性能が上がるわけではない．
複雑なモデルであればあるほど訓練データの予測性能は上がるが一方でテストデータでの予測性能は低くなるという減少が起こる．この現象を過学習という．

このような現象が起こる理由：
構造が複雑であればあるほど，訓練データだけに当てはまる条件まで考慮してしまうから．

過学習は決定木の場合は木の深さを増やしすぎる，重回帰の場合は特徴量の列を増やしすぎると起こりやすいことが知られている．

過学習を起こさずにモデルの予測性能を上げる一般的な方法：
・データ数を増やす
・データの前処理の仕方を変える
・モデルの学習時の設定を変える
・そもそもの分析方法を変える

↑

5/20†

今まで扱っていたデータは（例）アヤメの種類分別　　　では３種類の正解データがそれぞれ５０種類均等にあったが，今回行う客船沈没事故での生存予測では正解データである死亡者データが５４９件，生存者データが３４２件と正解データの件数の比率に差が生じている．このようなデータを不均衡データという．

・決定木モデルは他のモデルに比べ，外れ値の影響を受けにくい．

↑

データの比率に違いがあることで起きる問題†

例えば生存者データが５％，死亡者データが９５％であった場合，モデルは法則など関係なくとりあえず死亡とすれば正解してしまうため，よくない．

↑

5/18†

明日以降は例題のコードを一から打つのではなく，修正だけしていく

丹羽の卒論日誌 の履歴(No.18)