Chainerを用いた簡単なニューラルネットワーク実装〜データの準備編〜

[前回](http://qiita.com/moroku0519/items/101958f25feff759c0e0)から深層学習のフレームワークであるChainerを使って実際にニューラルネットワークを構築する記事を書いています．
今回は
1.データの準備
2.モデルの記述
3.最適化アルゴリズムの設定
4.学習
5.結果の出力
のうち

1.データの準備

について書いていきます．

#Irisデータ

今回はサンプルデータとしてIris（アヤメ）のデータを用います．機械学習ではよくIrisのデータが用いられるようです．
このIrisのデータはPythonの機械学習ライブラリである[scikit-learn](http://scikit-learn.org/stable/)から簡単に導入することができます．scikit-learn自体はpipでインストールすることができます．

```
$ pip install scikit-learn
```
ちなみにscikit-learnをインストールする条件として2016年11月18日現在では

```
Python (>= 2.6 or >= 3.3),
NumPy (>= 1.6.1),
SciPy (>= 0.9).
```

であることが求められます．

このIrisのデータの中身は4次元のベクトルです．
中身を確認してみます．

```
>>> from sklearn import datasets
>>> iris = datasets.load_iris()
>>> iris
>>> iris
{'target_names': array(['setosa', 'versicolor', 'virginica'],
      dtype='<U10'), 'target': array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2]), 'feature_names': ['sepal length (cm)', 'sepal width (cm)', 'petal length (cm)', 'petal width (cm)'], 'data': array([[ 5.1,  3.5,  1.4,  0.2],
       [ 4.9,  3. ,  1.4,  0.2],
       [ 4.7,  3.2,  1.3,  0.2],
       [ 4.6,  3.1,  1.5,  0.2],
       [ 5. ,  3.6,  1.4,  0.2],
       [ 5.4,  3.9,  1.7,  0.4],
       [ 4.6,  3.4,  1.4,  0.3],
       [ 5. ,  3.4,  1.5,  0.2],
       [ 4.4,  2.9,  1.4,  0.2],
       [ 4.9,  3.1,  1.5,  0.1],
       [ 5.4,  3.7,  1.5,  0.2],
       [ 4.8,  3.4,  1.6,  0.2],
       [ 4.8,  3. ,  1.4,  0.1],
       [ 4.3,  3. ,  1.1,  0.1],
       [ 5.8,  4. ,  1.2,  0.2],
       [ 5.7,  4.4,  1.5,  0.4],
       [ 5.4,  3.9,  1.3,  0.4],
       [ 5.1,  3.5,  1.4,  0.3 .................
```

いろいろと入っていますが，ひとまず必要なのはdataとtargetです．

```
>>> iris.data
array([[ 5.1,  3.5,  1.4,  0.2],
       [ 4.9,  3. ,  1.4,  0.2],
       [ 4.7,  3.2,  1.3,  0.2],
       [ 4.6,  3.1,  1.5,  0.2],
       [ 5. ,  3.6,  1.4,  0.2],
       [ 5.4,  3.9,  1.7,  0.4],
       [ 4.6,  3.4,  1.4,  0.3],
       [ 5. ,  3.4,  1.5,  0.2],
       [ 4.4,  2.9,  1.4,  0.2],
       [ 4.9,  3.1,  1.5,  0.1],
       [ 5.4,  3.7,  1.5,  0.2],
       [ 4.8,  3.4,  1.6,  0.2],
       [ 4.8,  3. ,  1.4,  0.1],
       [ 4.3,  3. ,  1.1,  0.1],
       [ 5.8,  4. ,  1.2,  0.2],...........
```

```
>>> iris.target
array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
       0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
       1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,
       2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2])
```

dataは4次元のベクトルで，それぞれ
-花びらの長さ
-花びらの幅
-がく片の長さ
-がく片の幅
です．

それに対応するtargetはIrisの種類です．それぞれ
-setosa
![hioaya_1.jpg](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/28622/c19afc6c-fe95-94d8-49a9-6e91d3f3597c.jpeg)

-versicolor
![800px-Blue_Flag,_Ottawa.jpg](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/28622/c2121bb1-0116-898a-c259-daa932a638fe.jpeg)

-virginica
![736px-Iris_virginica.jpg](https://qiita-image-store.s3.amazonaws.com/0/28622/e1b04482-2e00-c0e6-1ed9-eb5517ccfec7.jpeg)

です．

なんとなくイメージはつかめたのではないでしょうか．

#教師データとテストデータ
機械学習には分類器にデータの特徴を教えるための教師データと，出来上がった分類器の精度を測るためのテストデータが必要です．このように用意したデータを教師データ，テストデータに分けて妥当性を検証することをcross-validation（交差検証）と言います．

4次元のirisベクトルに対して，その種類が0, 1, 2のラベルで対応付けされている状態です．

```
>>>iris.data
array([[ 5.1,  3.5,  1.4,  0.2],
       [ 4.9,  3. ,  1.4,  0.2],
       [ 4.7,  3.2,  1.3,  0.2],......

>>>iris.target
array([0, 0, 0,.....

```

ニューラルネットに学習させるためにはtargetもベクトル化する必要があるため，処理を行います．
つまり，irisがsetosaであるならば，
[1, 0, 0]
とします．
irisがversicolorであれば
[0, 1, 0]です．正解の次元に1を入れます．


```
>>>n = y.size
>>>y.zeros(n * 3).reshape(n, 3).astype(np.float32)
array([[ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.],
       [ 0.,  0.,  0.]])
```

入れ物はできたのであとは値を入れていきます．

```
>>>for i in range(n):
       y2[i, y[i]] = 1.0 
>>> y2
array([[ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 1.,  0.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  1.,  0.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.],
       [ 0.,  0.,  1.]], dtype=float32)
```

要素はdata, targetともに150あるのでindexを用意します．

```
>>>index = np.arange(n)
array([  0,   1,   2,   3,   4,   5,   6,   7,   8,   9,  10,  11,  12,
        13,  14,  15,  16,  17,  18,  19,  20,  21,  22,  23,  24,  25,
        26,  27,  28,  29,  30,  31,  32,  33,  34,  35,  36,  37,  38,
        39,  40,  41,  42,  43,  44,  45,  46,  47,  48,  49,  50,  51,
        52,  53,  54,  55,  56,  57,  58,  59,  60,  61,  62,  63,  64,
        65,  66,  67,  68,  69,  70,  71,  72,  73,  74,  75,  76,  77,
        78,  79,  80,  81,  82,  83,  84,  85,  86,  87,  88,  89,  90,
        91,  92,  93,  94,  95,  96,  97,  98,  99, 100, 101, 102, 103,
       104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116,
       117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129,
       130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142,
       143, 144, 145, 146, 147, 148, 149])
```

index配列の奇数の要素を教師データ，偶数をテストデータとします．

```
>>>xtrain = x[index[index % 2 != 0], :]
>>>ytrain = y2[index[index % 2 != 0], :]
>>>xtest = x[index[index % 2 == 0], :]
>>>ytest = y2[index[index % 2 == 0], :]
```

このようにして，対応のあるデータにしてデータの準備を行います．
今回はここまで

#参考
山下隆義
イラストでわかるディープラーニング 講談社
新納浩幸
Chainerによる実践深層学習～複雑なNNの実装方法～　オーム社