転移学習 (Transfer Learning) を用いたデータ解析

どんなときに転移学習が有効か？
何を “転移” させるか？
2 種類のデータセットを有効に活用しよう！
一般的な解析
転移学習
転移学習で期待すること
数値シミュレーションデータで確認！
比較した手法
ケース1
ケース2
実際のデータセットで検証
想定したシチュエーション1
結果1
想定したシチュエーション2
結果2
考えごと

1. 0 転移学習 Transfer learning 明治大学 理⼯学部 応用化学科 データ化学⼯学研究室 ⾦⼦ 弘昌
2. どんなときに転移学習が有効か︖ あるデータセットを用いて、回帰モデル・クラス分類モデル y=f(x) を 構築し、x の値から y の値を推定したい しかし、そのデータセットのサンプル数が小さく、適切なモデルが 得られるか心配 そのデータセットのサンプルと、全く同じ環境で得られたというわけでは ないが、似た環境で得られたある程度サンプル数のあるデータセットが あり、2 つのデータセットで y の種類や x の変数が同じ • 例) y や x を測定した装置が異なるデータセット • 例) 実スケールのデータセットとパイロットスケールのデータセット 1
3. 何を “転移” させるか︖ ある程度の数があるサンプルを転移させる ある程度の数があるサンプルで学習したモデルを転移させる • サンプルを転移させる方法に着目 2 http://www.kamishima.net/archive/2009-tr-jsai_dmsm1-PR.pdf
4. 2 種類のデータセットを有効に活用しよう︕ 3 ターゲットのデータセット (サンプル数 小) y x サポート用のデータセット (サンプル数 大) y x サンプル サンプル 変数 変数
5. 一般的な解析 4 モデルに、x の値を⼊⼒して、y の値を推定 y x y x 2 つのデータセットをサンプル方向につなげて、 回帰分析手法・クラス分類手法でモデル y = f(x) 構築
6. 転移学習 5 y x y x 2 つのデータセットを x 0 x 0 上のようにつなげて、回帰分析手法・クラス分類手法でモデル y = f(x) 構築 すべて 0 の⾏列 すべて 0 の⾏列 モデルに、 x x 0 ⼊⼒して、y の値を推定 の形式にした x の値を
7. 転移学習で期待すること 6 y x y x x 0 x 0 2 つのデータセットで共通する x と y との間の関係を学習 2 つのデータセットで異なる x と y との間の関係を学習 サポート用のデータセットも活用することで、共通する x と y との 関係を学習することで、異なる関係だけならターゲットのデータセットの 少ないサンプルでも学習できるか︕︖
8. 数値シミュレーションデータで確認︕ 7  ターゲットのデータセット 3 サンプル  サポート用のデータセット 100 サンプル の状況において、新たなターゲットの 100 サンプルを 正確に推定できるか︖︖ ケース1: x と y の間の傾きが、ターゲット・サポート用のデータセットで変化 • ターゲット: y = 2x1 + 4x2 + 1 • サポート用: y = 2x1 + 3x2 + 1 ケース2: 定数項 (y切⽚) が、ターゲット・サポート用のデータセットで変化 [x と y は非線形] • ターゲット: y = 2(x1 −2)3 + 3x2 2 + 3 • サポート用: y = 2(x1 −2)3 + 3x2 2 + 1
9. 比較した手法 1. TL: Transfer Learning, 転移学習 2. OT: Only Target dataset, ターゲットのデータセット (3 サンプル) のみ 使用 3. BD: Both target and supporting Dataset, ターゲットのデータセット (3 サンプル) とサポート用のデータセット (100 サンプル) 使用 [p. 4 の方法] 8 回帰分析手法は、  Partial Least Squares (PLS)  Gaussian Process Regression (GPR) 詳しくはこちら https://datachemeng.com/summarydataanalysis/
10. ケース1 9 TL-PLS r2: 0.998 OT-PLS r2: 0.090 BD-PLS r2: 0.839 BD-GPR r2: 0.829 OT-GPR r2: 0.088 TL-GPR r2: 0.998
11. ケース2 10 TL-PLS r2: 0.935 OT-PLS r2: 0.111 BD-PLS r2: 0.751 BD-GPR r2: 0.773 OT-GPR r2: 0.098 TL-GPR r2: 0.959
12. 実際のデータセットで検証 Shootout 2012 のデータセット • y : 医薬品中のAPIの重量パーセント濃度 [wt %] • x : NIRスペクトル (ABB Bomem FT-NIR model MB-160) 952.42, 953.12, ..., 1309.33 nm (372変数) 228 個の錠剤 • ラボスケール装置で製造 : 89 サンプル (shootout_2012_laboratory_scale.csv) • パイロットスケール装置で製造 : 72 サンプル (shootout_2012_pilot_scale.csv) • 実スケール装置で製造 : 67 サンプル (shootout_2012_full_scale.csv) 11 http://www.idrc-chambersburg.org/shootout-2012.html
13. 想定したシチュエーション1 12  実スケール装置で製造されたターゲットのデータセット 3 サンプル  パイロットスケールで製造されたサポート用のデータセット 72 サンプル の状況において、新たなターゲットの 64 サンプルを 正確に推定できるか︖︖
14. 結果1 13 TL-PLS r2: 0.512 OT-PLS r2: -0.1 BD-PLS r2: 0.819 BD-GPR r2: -0.1 OT-GPR r2: 0 TL-GPR r2: 0.005
15. 想定したシチュエーション2 14  実スケール装置で製造されたターゲットのデータセット 3 サンプル  パイロットスケールで製造されたサポート用1のデータセット 72 サンプル、 ラボスケールで製造されたサポート用2のデータセット 89 サンプル の状況において、新たなターゲットの 64 サンプルを 正確に推定できるか︖︖ y x y x x 0 0 0 y x 0 x 0 0 x
16. 結果2 15 TL-PLS r2: 0.533 OT-PLS r2: -0.1 BD-PLS r2: 0.760 BD-GPR r2: 0.816 OT-GPR r2: 0 TL-GPR r2: 0.762
17. 考えごと 転移学習のときのハイパーパラメータの決定をどうするか • いつも通りクロスバリデーションでよい︖ • ターゲットのデータセットをよく推定できるように決める︖ ⁃ オーバーフィットしそう︖ ⁃ サポート用のサンプルがあるから問題ない︖ スペクトル解析においては波⻑選択をしたほうがよさそう 評価関数をどうするか︖ • クロスバリデーション後の r2 ︖ • ターゲットのデータセットにおける r2︖ ⁃ オーバーフィットしそう︖ ⁃ サポート用のサンプルがあるから問題ない︖ 16