「AI」と「機械学習」と「ディープラーニング」について

はじめに「AI」と「機械学習」と「ディープラーニング」がお互いどう関連しているのか、図で表してみます。

f:id:shinji629:20190627180201p:plain

 


Artificial Intelligence (AI): 人口知能

Artificial Intelligentは1950年代にコンピューターを考えさせるという発想から始まりました。AIは、「the effort to automate intellectual tasks normally performed by humans.」と定義されました。つまり、人間が通常行う知的作業を自動化するための努力です。 人工知能の初期の頃、専門家の多くは人間の知能レベルがルールベースのシステムで手作りされた明示的なルールによって簡単に達成されることができると信じていました。このアプローチはシンボリックAIとして知られています。シンボリックAIは、チェスなどの明確で論理的な問題を解決するのに適していますが、画像分類、音声認識、言語翻訳など、より複雑であいまいな問題を解決するための明示的な規則を解明するのは困難です。そこで機械学習というシンボリックAIの代わりをするための新しいアプローチが生まれました。

 

Machine learning: 機械学習

機械学習は、次の質問が原点となります。コンピュータは、特定のタスクを実行する方法を自分で学ぶことができるのでしょうか。プログラマが手作業でデータ処理規則を作成するのではなく、データを見ることによってコンピュータが自動的にこれらの規則を学ぶことができるでしょうか。

この質問は新しいプログラミングパラダイムへの扉を開きます。古典的プログラミングでは、シンボリックAIのパラダイム、人間は規則(プログラム)とこれらの規則に従って処理されるデータを入力し、そして答えが出ます。機械学習では、人間はデータとそのデータから期待される答えを入力し、ルールが出てきます。その後、これらのルールを新しいデータに適用して、元の回答を得ることができます。

f:id:shinji629:20190701150808p:plain

機械学習システムは、明示的にプログラムされるのではなく訓練されています。タスクに関連する多くの例が紹介されており、これらの例の中で統計的な構造を見いだすことで、最終的にシステムがタスクを自動化するためのルールを考え出すことが可能になります。

機械学習には、3つのことが必要です。

- 入力データポイント: たとえば、タスクが音声認識の場合、これらのデータポイントは話す人の音声ファイルになります。タスクが画像のタグ付けである場合、それらは写真である可能性があります。
- 予想される出力の例: 音声認識タスクでは、これらは人間が作成したサウンドファイルのトランスクリプトです。イメージタスクでは、期待される出力は「鳥」、「猫」などのタグになります。
- アルゴリズムがうまく機能しているかどうかを測定する方法: これは、アルゴリズムの現在の出力と予想される出力の間の距離を判断するために必要です。測定値は、アルゴリズムの動作方法を調整するためのフィードバック信号として使用されます。この調整ステップは、学習とも言えます。

 

ディープラーニング
ディープラーニングは、機械学習の特定のサブフィールドです。データから表現を学習する新しい方法であり、より意味のある表現の連続層を学習することに重点が置かれています。ディープラーニングが深いということは、それは表現の連続層のこの考えを表します。現代のディープラーニングでは、しばしば数十から数百もの連続した表現の層が含まれることがあります。それらはすべてトレーニングデータへの露出から自動的に学習されます。一方、機械学習への他のアプローチは、データの表現の1つか2つの層だけを学ぶことに焦点を合わせる傾向があります。それらは「浅い学習」と呼ばれることがあります。ディープラーニングでは、これらの階層表現はニューラルネットワークと呼ばれるモデルを介して学習されます。

具体的には、この学習がどのように行われるかを見てみましょう。

レイヤーがその入力データに対して何をするかの指定は、そのレイヤーのウェイトに格納されます。また、それはたくさんの数値です。技術的には、レイヤーによって実行される変換は、その重みによってパラメータ化されると言えます。

f:id:shinji629:20190702174009p:plain

次に大事な点は、予測したYと本当のターゲットのYの差分を計算し、ウェイトを更新していくことです。損失関数(Loss Function)の位置付けは、作成した学習ロジックに対する評価指標です。

f:id:shinji629:20190828160022p:plain