4.5 学習アルゴリズムの実装

4.5
学習アルゴリズムの実装

4.4までで、ニューラルネットワークの学習に関する基本的な知識は、すべて出そろいました。
これまでに出てきた「損失関数」「ミニバッチ」「勾配」「勾配降下法」という４つのワードを復習するために、ニューラルネットワークの学習手順を示します。

※前提
「学習」・・・ニューラルネットワークは、適応可能な重みとバイアスがあり、この重みとバイアスを訓練データに適応するように調整すること

![スクリーンショット (15).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/610125/c1e5e431-b7ed-1f4e-81d0-fd7a7f3c7309.png)

確率的勾配降下法・・・「無作為に選び出したデータに対して行う勾配降下法」

4.5.1　 2 層ニューラルネットワークのクラス

TwoLayerNet という名前のクラスとして、次のように実装します

```ruby:qiita.rb
import sys, os
sys.path.append(os.pardir)
from common.functions import *
from common.gradient import numerical_gradient
class TwoLayerNet:
def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size,
weight_init_std=0.01):
# 重みの初期化
self.params = {}
self.params['W1'] = weight_init_std * \
np.random.randn(input_size, hidden_size)
self.params['b1'] = np.zeros(hidden_size)
self.params['W2'] = weight_init_std * \
np.random.randn(hidden_size, output_size)
self.params['b2'] = np.zeros(output_size)
def predict(self, x):
W1, W2 = self.params['W1'], self.params['W2']
b1, b2 = self.params['b1'], self.params['b2']
a1 = np.dot(x, W1) + b1
z1 = sigmoid(a1)
a2 = np.dot(z1, W2) + b2
y = softmax(a2)
return y
# x:入力データ, t:教師データ
def loss(self, x, t):
y = self.predict(x)
return cross_entropy_error(y, t)
def accuracy(self, x, t):
y = self.predict(x)
y = np.argmax(y, axis=1)
t = np.argmax(t, axis=1)
accuracy = np.sum(y == t) / float(x.shape[0])
return accuracy
# x:入力データ, t:教師データ
def numerical_gradient(self, x, t):
loss_W = lambda W: self.loss(x, t)
grads = {}
4.5 学習アルゴリズムの実装 115
grads['W1'] = numerical_gradient(loss_W, self.params['W1'])
grads['b1'] = numerical_gradient(loss_W, self.params['b1'])
grads['W2'] = numerical_gradient(loss_W, self.params['W2'])
grads['b2'] = numerical_gradient(loss_W, self.params['b2'])
return grads
```
![スクリーンショット (18).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/610125/43c64deb-5c7e-c4e5-635a-554816ec8dbf.png)

![スクリーンショット (19).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/610125/10d243bc-f3af-29ad-a61a-6da487bb26e5.png)


4.5.2 ミニバッチ学習の実装
ミニバッチ学習・・・訓練データから無作為に一部のデータを取り出して、そのミニバッチを対象に、勾配法によりパラメータを更新する

```ruby:qiita.rb
import numpy as np
from dataset.mnist import load_mnist
from two_layer_net import TwoLayerNet
(x_train, t_train), (x_test, t_test) = \
load_mnist(normalize=True, one_hot_label=True)
train_loss_list = []
# ハイパーパラメータ
iters_num = 10000
train_size = x_train.shape[0]
batch_size = 100
learning_rate = 0.1
network = TwoLayerNet(input_size=784, hidden_size=50, output_size=10)
for i in range(iters_num):
# ミニバッチの取得
batch_mask = np.random.choice(train_size, batch_size)
x_batch = x_train[batch_mask]
t_batch = t_train[batch_mask]
# 勾配の計算
grad = network.numerical_gradient(x_batch, t_batch)
# grad = network.gradient(x_batch, t_batch) # 高速版!
# パラメータの更新
for key in ('W1', 'b1', 'W2', 'b2'):
network.params[key] -= learning_rate * grad[key]
# 学習経過の記録
loss = network.loss(x_batch, t_batch)
train_loss_list.append(loss)

```
![スクリーンショット (21).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/610125/41d6b179-327c-c24b-e256-b75c632eff05.png)


4.5.3 テストデータで評価
図4-11 の結果より、学習を繰り返し行うことで損失関数の値が徐々に下がってい
くことを確認できました。
最後に「過学習」を起こしていないかの確認をすることが必要です。

```ruby:qiita.rb
train_acc_list = []
test_acc_list = []
# 1 エポックあたりの繰り返し数
iter_per_epoch = max(train_size / batch_size, 1)
```

```ruby:qiita.rb
# 1 エポックごとに認識精度を計算
if i % iter_per_epoch == 0:
train_acc = network.accuracy(x_train, t_train)
test_acc = network.accuracy(x_test, t_test)
train_acc_list.append(train_acc)
test_acc_list.append(test_acc)
print("train acc, test acc | " + str(train_acc) + ", " + str(test_acc))
```

![スクリーンショット (23).png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/610125/45d81901-45d3-25af-91e3-f3d382bbebdd.png)