ADALINE – Python機械学習第二章学習メモ

最近<a href="http://amzn.to/2yzLY0V" rel="noopener" target="_blank">Python機械学習</a>を読み進めているのですが、その学習メモです。
前回は[こちら](https://qiita.com/hide-tono/items/41245a198d6febd802ec)

## ADALINE
パーセプトロンとの違いは、重みの更新方法

* パーセプトロン：単位ステップ関数
* ADALINE：線形活性化関数 \\(\phi(z)\\)

目的関数(Objective function) ... 学習過程で最適化される関数。多くの場合は __コスト関数__ (cost function)

### コスト関数
誤差平方和(Sum of Squared Error：SSE)
$$ J(w) = \frac{1}{2}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 $$

#### 利点

* 微分可能である
* 凸関数であるため勾配降下法(gradient descent)を用いてコスト関数を最小化する重みを見つけ出すことができる。

### 勾配降下法を使った重み更新
コスト関数\\( J(w) \\)の勾配\\( \nabla J(w) \\)に沿って1ステップ進む
$$ w := w + \Delta w $$
重みの変化である\\( \Delta w \\)は、負の勾配に学習率\\( \eta \\)を掛けたもの
$$ \Delta w = -\eta\nabla J(w) $$

### 勾配計算(偏微分係数)
$$ \begin{align} \frac{\delta J}{\delta w_j} &= \frac{\delta}{\delta w_j}\frac{1}{2}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 \\\
&= \frac{1}{2}\frac{\delta}{\delta w_j}\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))^2 \\\
&= \frac{1}{2}\sum_i2(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))\frac{\delta}{\delta w_j}(y^{(i)}-\phi(z^{(i)})) \\\
&= \sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))\frac{\delta}{\delta w_j}\Bigl( y^{(i)}-\sum_k(w_kx_k^{(i)})\Bigr) \\\
&= \sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))(-x_j^{(i)}) \\\
&= -\sum_i(y^{(i)}-\phi(z^{(i)}))x_j^{(i)} \\\
\end{align} $$

### ADALINEの実装

``` python
class AdalineGD(object):
    """ADAptive LInear NEuron classifier.

    パラメータ
    ------------
    eta : float
        学習率 (0.0～1.0)
    n_iter : int
        繰り返し回数

    """
    def __init__(self, eta=0.01, n_iter=50):
        self.eta = eta
        self.n_iter = n_iter

    def fit(self, X, y):
        """ トレーニングデータの学習

        """
        self.w_ = np.zeros(1 + X.shape[1])
        self.cost_ = []

        for i in range(self.n_iter):
            net_input = self.net_input(X)
            output = self.activation(X)
            errors = (y - output)
            self.w_[1:] += self.eta * X.T.dot(errors)
            self.w_[0] += self.eta * errors.sum()
            cost = (errors**2).sum() / 2.0
            self.cost_.append(cost)
        return self

    def net_input(self, X):
        return np.dot(X, self.w_[1:]) + self.w_[0]

    def activation(self, X):
        return self.net_input(X)

    def predict(self, X):
        return np.where(self.activation(X) >= 0.0, 1, -1)
```

### 学習

``` python
import pandas as pd

df = pd.read_csv('https://archive.ics.uci.edu/ml/'
        'machine-learning-databases/iris/iris.data', header=None)
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# select setosa and versicolor
y = df.iloc[0:100, 4].values
y = np.where(y == 'Iris-setosa', -1, 1)

# extract sepal length and petal length
X = df.iloc[0:100, [0, 2]].values

fig, ax = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, figsize=(8, 4))

ada1 = AdalineGD(n_iter=10, eta=0.01).fit(X, y)
ax[0].plot(range(1, len(ada1.cost_) + 1), np.log10(ada1.cost_), marker='o')
ax[0].set_xlabel('Epochs')
ax[0].set_ylabel('log(Sum-squared-error)')
ax[0].set_title('Adaline - Learning rate 0.01')

ada2 = AdalineGD(n_iter=10, eta=0.0001).fit(X, y)
ax[1].plot(range(1, len(ada2.cost_) + 1), ada2.cost_, marker='o')
ax[1].set_xlabel('Epochs')
ax[1].set_ylabel('Sum-squared-error')
ax[1].set_title('Adaline - Learning rate 0.0001')

plt.tight_layout()
# plt.savefig('./adaline_1.png', dpi=300)
plt.show()
```


<img src="https://tono-n-chi.com/blog/wp-content/uploads/2017/10/python-ml-ch02-adaline-train.png" alt="" width="568" height="280" class="alignnone size-full wp-image-2805" />



### 学習結果のプロット

``` python
from matplotlib.colors import ListedColormap


def plot_decision_regions(X, y, classifier, resolution=0.02):

    # setup marker generator and color map
    markers = ('s', 'x', 'o', '^', 'v')
    colors = ('red', 'blue', 'lightgreen', 'gray', 'cyan')
    cmap = ListedColormap(colors[:len(np.unique(y))])

    # plot the decision surface
    x1_min, x1_max = X[:, 0].min() - 1, X[:, 0].max() + 1
    x2_min, x2_max = X[:, 1].min() - 1, X[:, 1].max() + 1
    xx1, xx2 = np.meshgrid(np.arange(x1_min, x1_max, resolution),
                           np.arange(x2_min, x2_max, resolution))
    Z = classifier.predict(np.array([xx1.ravel(), xx2.ravel()]).T)
    Z = Z.reshape(xx1.shape)
    plt.contourf(xx1, xx2, Z, alpha=0.4, cmap=cmap)
    plt.xlim(xx1.min(), xx1.max())
    plt.ylim(xx2.min(), xx2.max())

    # plot class samples
    for idx, cl in enumerate(np.unique(y)):
        plt.scatter(x=X[y == cl, 0], y=X[y == cl, 1],
                    alpha=0.8, c=cmap(idx),
                    edgecolor='black',
                    marker=markers[idx], 
                    label=cl)
```

<img src="https://tono-n-chi.com/blog/wp-content/uploads/2017/10/python-ml-ch02-adaline-train-result.png" alt="" width="424" height="280" class="alignnone size-full wp-image-2806" />

<img src="https://tono-n-chi.com/blog/wp-content/uploads/2017/10/python-ml-ch02-adaline-train-error.png" alt="" width="424" height="280" class="alignnone size-full wp-image-2807" />

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