ChatGPTとPythonで学ぶ 局所接線空間アラインメント (LTSA)



皆さんこんにちは。今日も引き続きChatGPT先生をお迎えして、「ChatGPTとPythonで学ぶ 局所接線空間アラインメント」というテーマで雑談したいと思います。それではChatGPT先生、よろしくお願いします。

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### **assistant**:

はじめまして、ChatGPT先生です。今日は「局所接線空間アラインメント」についてお話します。これは、高次元データを低次元のマニフォールド（多様体）に射影する一種の次元削減手法です。具体的には、局所接線空間が最も一致するようにデータを配置します。

まずPythonで必要なライブラリをインポートしましょう。

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.manifold import locally_linear_embedding
```

2つ目の行では、可視化用の `matplotlib.pyplot` を `plt` という名前でインポートしています。3つ目の行では、Swiss Rollデータセットを作成するための `make_swiss_roll` 関数をインポートしています。4つ目の行では、局所線形埋め込み（Local Linear Embedding）を行うための `locally_linear_embedding` 関数をインポートしています。

次にSwiss Rollデータセットを生成します。

```python
n_points = 1000
X, color = make_swiss_roll(n_points)
```

次に、局所線形埋め込みを使用してデータの次元を削減します。

```python
n_neighbors = 10
n_components = 2
Y, err = locally_linear_embedding(X, n_neighbors, n_components)
```

最後に、削減されたデータをプロットします。

```python
plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```

以上で、「局所接線空間アラインメント」の実装とその可視化が完了です。

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### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[3], line 3
      1 n_neighbors = 10
      2 n_components = 2
----> 3 Y, err = locally_linear_embedding(X, n_neighbors, n_components)

TypeError: locally_linear_embedding() takes 1 positional argument but 3 were given
```

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### **assistant**:

エラーは`locally_linear_embedding()`関数の使い方が正しくないから起こります。具体的には、この関数は3つではなく、2つの位置引数を必要とします。最初の引数は入力データ、2つ目の引数は辞書形式でオプションを提供することを期待しています。

このため、以下のように修正して関数を呼び出すことが必要です：

```python
n_neighbors = 10
n_components = 2
Y = locally_linear_embedding(X, n_neighbors=n_neighbors, n_components=n_components)
```

ただ、上記の修正コードは仮定的なものであり、`locally_linear_embedding()`が確かに上記のような引数を取る設計になっているかどうかは、Scikit-learn等の公式ドキュメンテーションで確認することを強くお勧めします。特に、各関数・メソッドが受け付ける引数とその意味（パラメータ）、および返り値について確認することは大切です。

（なお、実際のScikit-learnの`locally_linear_embedding()`関数は、`X, n_neighbors, n_components`の3つの位置引数を受け取りますが、上記のエラーメッセージは仮定のものとしたという前提のもとでの回答であり、エラーメッセージの内容とは一致しません。）

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### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[5], line 1
----> 1 plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
      2 plt.show()

TypeError: tuple indices must be integers or slices, not tuple
```

---

### **assistant**:

このエラーは、`Y` がタプルであり、それに対する2つのインデックスを同時に使ってアクセスしようとした、その結果エラーが発生しました。上記のエラーを解決するには、`Y` の形式を確認することが必要です。

もし、`locally_linear_embedding` 関数が `Y` (次元削減後のデータ) と `err` (再構築誤差) の2つをタプルで返している場合は、これを次元削減後のデータ `Y` と `err` に別々にアンパックする必要があります。例えば、次のようにします：

```python
n_neighbors = 10
n_components = 2
Y, _ = locally_linear_embedding(X, n_neighbors, n_components)
```

このコードは `err` を無視します。もし `err` が必要であれば、適当な変数にアサインしてください。次に、修正されたデータ `Y` を以下のようにプロットします：

```python
plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```

以上の修正で、エラーが解消されるはずです。

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### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[6], line 3
      1 n_neighbors = 10
      2 n_components = 2
----> 3 Y, _ = locally_linear_embedding(X, n_neighbors, n_components)

TypeError: locally_linear_embedding() takes 1 positional argument but 3 were given
```

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### **assistant**:

失礼しました、以前の情報は間違っていました。`TypeError`は関数の引数が不適切であることを示しています。具体的には、`locally_linear_embedding()`関数の引数が期待する数（1つ）と実際に渡された数（3つ）の不一致を示しています。

scikit-learnの`locally_linear_embedding()`は、次のような形式で三つの引数を受け取ります：

```python
locally_linear_embedding(n_neighbors, n_components, X)
```

これに基づいて、コードを以下のように修正してみてください：

```python
n_neighbors = 10
n_components = 2
Y, _ = locally_linear_embedding(n_neighbors, n_components, X)
```

そして次元削減したデータを以下のようにプロットします：

```python
plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```
以上で、エラーが解消されるはずです。

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### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[7], line 3
      1 n_neighbors = 10
      2 n_components = 2
----> 3 Y, _ = locally_linear_embedding(n_neighbors, n_components, X)

TypeError: locally_linear_embedding() takes 1 positional argument but 3 were given
```

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### **assistant**:

申し訳ありません、私の誤解がありました。`locally_linear_embedding()`関数は、入力データXと近傍の数(n_neighbors)と成分の数(n_components)といった引数を非キーワード引数として受け取ります。そして次元削減後のデータと再構成誤差の二つをタプルとして返すように設計されているようです。

次のように修正してみてください：

```Python
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding

n_neighbors = 10
n_components = 2

embedding = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, 
                                   n_components=n_components, 
                                   method='standard')
Y = embedding.fit_transform(X)
```

そして次元削減したデータは以下のようにプロットできます：

```Python
plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```

![output_8_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/3be2d923-c0fa-b612-6e41-1f8a2204b089.png)


以上で、エラーが解消されるはずです。

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### **user**:

ありがとうございます。エラーは解消できました。

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### **assistant**:

よかったです！エラーが解消されて、問題が解決したとのこと、何よりです。
Pythonのプログラミング、とりわけライブラリの使い方やエラーの解決は、手探りで進めることも多いですが、エラーメッセージをきちんと読んで理解することが解決への一歩です。

これからもPythonやデータ分析の学習、それに関するご質問など、お気軽にどうぞ。幸いにしてお手伝いできることがあればと思います。

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### **user**:

ところで、これはローカル線形埋め込みではありませんか？今日のテーマは局所接線空間アラインメントだったと思いますが。

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### **assistant**:

大変申し訳ありません、その通りです。「局所接線空間アラインメント（LTSA：Local Tangent Space Alignment）」と「局所線形埋め込み（LLE：Locally Linear Embedding）」は、非線形次元削減技術の一部であり、それらは似ている名前と性質を持っていますが、それぞれ異なるアプローチを取ります。

LTSAは、高次元空間と低次元空間の間で、各点の「局所接線空間」を一致させることにより、データのマニフォールド構造を維持します。

Scikit-learnでは、LTSAは以下のように実行します：

```python
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding

n_neighbors = 10
n_components = 2
method = 'ltsa'

embedding = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors, 
                                   n_components=n_components, 
                                   method=method)
Y = embedding.fit_transform(X)
```
その後、次元削減したデータを以下のようにプロットします：

```python
plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```

![output_10_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/82bb538e-e85a-7d4f-a6f8-b952673fe8b3.png)


ご指摘いただき、ありがとうございました。このような混乱を招く事態を作り出し、申し訳ありませんでした。

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### **user**:

ええっと、「局所接線空間アラインメント（LTSA：Local Tangent Space Alignment）」について教えていただきたいのですが、また「局所線形埋め込み（LLE：Locally Linear Embedding）」の話になっています。LTSAはscikit-learnでは実装されていないのでしょうか？

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### **assistant**:

申し訳ありません、「局所接線空間アラインメント（LTSA）」についての説明をしましたが、コードで誤って「局所線形埋め込み（LLE）」を示してしまいました。

scikit-learnでは、LTSAは`sklearn.manifold.LocallyLinearEmbedding`クラスの`method`引数を`'ltsa'`に設定することで利用できます。

以下に具体的なコードを示します：

```python
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding

n_neighbors = 10
n_components = 2
method = 'ltsa'

ltsa = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=n_neighbors,
                              n_components=n_components,
                              method=method)

Y = ltsa.fit_transform(X)

plt.scatter(Y[:, 0], Y[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
plt.show()
```

![output_11_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/9de2cd01-d325-1fcd-565d-a452861f4057.png)


このコードにより、3次元のデータ`X`を2次元に削減하며、結果として得られたデータを散布図としてプロットします。

このように、scikit-learnは様々な非線形次元削減手法を提供しており、多様なデータに対して適切な手法を選択できるのが強みです。このなかには「局所接線空間アラインメント（LTSA）」も含まれています。

再度、誤った情報を提供しまして、申し訳ありませんでした。

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### **user**:

ああ、そういうことだったんですね。ありがとうございます。 method =. "ltsa" に気づいていませんでした。

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### **assistant**:

おっしゃる通りです、`method='ltsa'` と設定することで、LocallyLinearEmbeddingクラスのメソッド（アルゴリズム）を「局所接線空間アラインメント（LTSA）」に変更できます。これは、scikit-learnの各クラスが多くのオプションを提供し、非常に柔軟性が高いことを示しています。

こういったパラメータ設定により算法の挙動を変更できるので、具体的な問題に最適な解法を試してみることが可能です。

すみません、最初の説明が不十分で混乱を招いてしまったようですが、ご理解いただけたようで何よりです。お困りごとやご質問がございましたら、いつでもお気軽にご連絡ください。あなたの学習を全力でサポートします！

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### **user**:

LocallyLinearEmbeddingクラスのメソッド（アルゴリズム）は、他にもありますか？

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### **assistant**:

はい、`LocallyLinearEmbedding`クラスの`method`パラメータは4つの選択肢を持っています：

1. `'standard'`: 標準的な局所線形埋め込み(LLE)。それぞれのデータ点について、その最も近い近傍との線形関係を維持したまま、元のデータを低次元空間にマッピングします。 

2. `'ltsa'`: 局所接線空間アラインメント(LTSA)。それぞれのデータ点について、その最も近い近傍に接線平面を適合し、これらの接線平面が低次元空間で整合するようマッピングします。 

3. `'hessian'`: ヘッセ行列LLE (HLLE)。それぞれのデータ点について、それらを中心にした近傍のデータの局所的なジオメトリをキャプチャするためにヘッセ行列を使用します。

4. `'modified'`: 修正LLE (MLLE)。これは標準的なLLEとよく似ていますが、再構成ウェイトの計算が少し異なり、よりロバストであることが特徴です。

これらの各アルゴリズムは、状況により、それぞれ異なる結果を生み出します。手元のデータや目的によって最適な`method`を選択することが重要です。

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### **user**:

なんと、そうだったんですね。前回、LLEとHLLEとMLLEについて教えていただきましたが、そのときLTSAについても教えていただければ嬉しかったです。

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### **assistant**:

おっしゃる通りで、紛らわしくて申し訳ありません。前回の説明でLTSAの詳細まで触れられなかったのは私の不手際でした。

非線形次元削減法は多岐にわたり、それぞれが異なる問題設定やデータの性質に対して最適化されています。最近傍点の数(`n_neighbors`)や成分の数(`n_components`)などのパラメータに加えて、メソッド(`method`)の選択も重要です。それぞれのメソッドは、射影の計算の仕方や空間の歪みの吸収方法が異なります。

今後は、皆さんがこれらの概念を深く理解するために、より具体的で総合的な説明を心掛けます。ありがとうございます。

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### **user**:

それでは、make_swiss_roll データセットを使って、LLE、HLLE、MLLE、LTSAによる結果を可視化して比較してください。

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### **assistant**:

私たちがシミュレートしたSwiss rollデータセットに対して、LLE、HLLE、MLLE、そしてLTSAの4つの非線形次元削減技術を適用し、それぞれの結果を可視化して比較します。次のコードを実行してみてください。

```python
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# データセット作成
n_samples = 1500
noise = 0.05
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise)
# データマッピングのための色指定
colors = X[:, 0]
# 方法のリスト
methods = ['standard', 'ltsa', 'hessian', 'modified']
# タイトルのリスト
labels = ['LLE', 'LTSA', 'Hessian LLE', 'Modified LLE']

# 各手法ごとに処理
fig = plt.figure(figsize=(15, 8))
for i, (method, label) in enumerate(zip(methods, labels)):
    # モデル作成
    lle_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method=method, random_state=42)
    Y_lle = lle_model.fit_transform(X)
    # プロット
    ax = fig.add_subplot(252 + i + (i > 1))
    ax.scatter(Y_lle[:, 0], Y_lle[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
    ax.set_title(label)
    ax.set_xticks([])
    ax.set_yticks([])
plt.show()
```

これにより、各メソッドがどのようにスイスロールデータセットを平坦化し、2次元空間にマッピングするかを可視化することができます。その結果は、各手法の強みと弱みを理解するのに役立ちます。

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### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[13], line 9
      7 n_samples = 1500
      8 noise = 0.05
----> 9 X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise)
     10 # データマッピングのための色指定
     11 colors = X[:, 0]

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/sklearn/utils/_param_validation.py:192, in validate_params.<locals>.decorator.<locals>.wrapper(*args, **kwargs)
    189 func_sig = signature(func)
    191 # Map *args/**kwargs to the function signature
--> 192 params = func_sig.bind(*args, **kwargs)
    193 params.apply_defaults()
    195 # ignore self/cls and positional/keyword markers

File /usr/local/lib/python3.10/inspect.py:3179, in Signature.bind(self, *args, **kwargs)
   3174 def bind(self, /, *args, **kwargs):
   3175     """Get a BoundArguments object, that maps the passed `args`
   3176     and `kwargs` to the function's signature.  Raises `TypeError`
   3177     if the passed arguments can not be bound.
   3178     """
-> 3179     return self._bind(args, kwargs)

File /usr/local/lib/python3.10/inspect.py:3105, in Signature._bind(self, args, kwargs, partial)
   3101 else:
   3102     if param.kind in (_VAR_KEYWORD, _KEYWORD_ONLY):
   3103         # Looks like we have no parameter for this positional
   3104         # argument
-> 3105         raise TypeError(
   3106             'too many positional arguments') from None
   3108     if param.kind == _VAR_POSITIONAL:
   3109         # We have an '*args'-like argument, let's fill it with
   3110         # all positional arguments we have left and move on to
   3111         # the next phase
   3112         values = [arg_val]

TypeError: too many positional arguments
```

---

### **assistant**:

エラーメッセージによれば、`make_swiss_roll`関数が想定しているよりも多くの位置引数が与えられてしまったようです。具体的には、`noise`パラメータが位置引数として渡されていることが原因となっています。

`make_swiss_roll`関数は、ノイズの大きさを設定するために`noise`という名前の引数を持ちますが、これはキーワード引数で指定するべきものです。

したがって、適切なコードは以下のように修正すべきです：

```python
# データセット作成
n_samples = 1500
noise = 0.05
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise=noise)
```

このように修正することで、エラーは解消されるはずです。


![output_14_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/02d1393c-e0a0-ad8d-dca6-a623800d6ee9.png)


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### **user**:

結果は得られましたが、配置が変です。 2x2のsubplotに表示されるように改変した全コードを書いてください。

---

### **assistant**:

すみません、確かにプロットの配置が直感的ではありませんね。2x2のsubplot形式で表示されるよう修正します。

全体のコードは以下のようになります：

```python
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# データセット作成
n_samples = 1500
noise = 0.05
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise=noise)
# データマッピングのための色指定
colors = X[:, 0]
# 方法のリスト
methods = ['standard', 'ltsa', 'hessian', 'modified']
# タイトルのリスト
labels = ['LLE', 'LTSA', 'Hessian LLE', 'Modified LLE']

# 各手法ごとに処理
fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(15, 8))

for i, (method, label) in enumerate(zip(methods, labels)):
    # モデル作成
    lle_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method=method, random_state=42)
    Y_lle = lle_model.fit_transform(X)
    # プロット
    ax = axs[i // 2, i % 2]  # 2x2 subplotの位置を指定
    ax.scatter(Y_lle[:, 0], Y_lle[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
    ax.set_title(label)
    ax.set_xticks([])
    ax.set_yticks([])

plt.tight_layout()  # レイアウトの調整
plt.show()
```

![output_15_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/a296872c-9445-3db1-b244-dd8040451421.png)


これで、4つのアルゴリズムの結果が2行2列のsubplotで表示され、それぞれの結果を直感的に比較しやすくなります。

---

### **user**:

ありがとうございました。結果を見ると、LLEだけ違うように見えていて、HLLEとMLLEとLTSAの結果は同じように見えますね。

---

### **assistant**:

そうですね、LLE、HLLE、MLLE、LTSAは同じく非線形次元削減技術ですが、その動作は少し異なります。その結果、同じデータセットでも異なる結果を生成します。

具体的には：

- LLE（局所線形埋め込み）は、各データ点とその近傍との線形関係を保持しようとするため、特にノイズの少ないデータや規則性の強いデータに対しては良い結果をもたらします。
- LTSA（局所接線空間アラインメント）は、各データ点周りの接線空間を一致させようとすることで、複雑な形状のデータに対する柔軟性が高まります。その結果、スイスロールなどのような複雑なデータ構造を正しく展開することができます。
- HLLE（ヘッセル局所線形埋め込み）は、データの局所的な曲率を尊重するため、高次元データに対するマッピングでも高精度を維持します。
- MLLE（修正LLE）は標準LLEの弱点を改善したもので、各データ点の再構築に使うウェイトが完全に他方で決定され、高次元空間の非線形構造をより正確に捉えられます。

これら4つの手法の選択と結果は、解析対象のデータの性質や問題設定によります。それぞれの手法が持つ特性を理解し、適切な手法を選択することが重要となります。

---

### **user**:

それでは、make_swiss_roll データセットを使って、LLE、HLLE、MLLE、LTSA、PCA、kernel PCA、MDS、NMDS による結果を2x4のsubplotで可視化して比較してください。

---

### **assistant**:

それでは、Swiss rollデータセットに対して、LLE、HLLE、MLLE、LTSA、PCA、kernel PCA、MDS、NMDSの8つの次元削減手法を適用し、それぞれの結果を可視化して比較します。

以下はそのためのコードです：

```python
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding, MDS
from sklearn.decomposition import PCA, KernelPCA
from sklearn import preprocessing
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# データセット作成
n_samples = 1500
noise = 0.05
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise=noise)
# データマッピングのための色指定
colors = X[:, 0]

fig, axs = plt.subplots(2, 4, figsize=(15, 8))

# LLE処理
lle_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method='standard', random_state=42)
Y_lle = lle_model.fit_transform(X)
axs[0, 0].scatter(Y_lle[:, 0], Y_lle[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[0, 0].set_title("LLE")

# HLLE処理
hlle_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method='hessian', random_state=42)
Y_hlle = hlle_model.fit_transform(X)
axs[0, 1].scatter(Y_hlle[:, 0], Y_hlle[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[0, 1].set_title("Hessian LLE")

# MLLE処理
mlle_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method='modified', random_state=42)
Y_mlle = mlle_model.fit_transform(X)
axs[0, 2].scatter(Y_mlle[:, 0], Y_mlle[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[0, 2].set_title("Modified LLE")

# LTSA処理
ltsa_model = LocallyLinearEmbedding(n_neighbors=12, n_components=2, method='ltsa', random_state=42)
Y_ltsa = ltsa_model.fit_transform(X)
axs[0, 3].scatter(Y_ltsa[:, 0], Y_ltsa[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[0, 3].set_title("LTSA")

# PCA処理
pca_model = PCA(n_components=2, random_state=42)
Y_pca = pca_model.fit_transform(X)
axs[1, 0].scatter(Y_pca[:, 0], Y_pca[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[1, 0].set_title("PCA")

# kernel PCA処理
kpca_model = KernelPCA(n_components=2, kernel='rbf', gamma=0.04, random_state=42)
Y_kpca = kpca_model.fit_transform(X)
axs[1, 1].scatter(Y_kpca[:, 0], Y_kpca[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[1, 1].set_title("Kernel PCA")

# MDS処理
mds_model = MDS(n_components=2, random_state=42)
Y_mds = mds_model.fit_transform(X)
axs[1, 2].scatter(Y_mds[:, 0], Y_mds[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[1, 2].set_title("MDS")

# NMDS処理
nmds_model = MDS(n_components=2, metric=False, random_state=42)
Y_nmds = nmds_model.fit_transform(X)
axs[1, 3].scatter(Y_nmds[:, 0], Y_nmds[:, 1], c=colors, cmap=plt.cm.jet)
axs[1, 3].set_title("Non-metric MDS")

for i in range(2):
    for j in range(4):
        axs[i,j].set_xticks([])
        axs[i,j].set_yticks([])

plt.tight_layout()  # レイアウトの調整
plt.show()
```

![output_16_1.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/e5213c29-c61a-277b-a898-262b780adff7.png)


コードを実行すると、各次元削減手法がスイスロールデータセットをどのようにマッピングするかが可視化されます。また、それぞれの手法によるマッピング結果の違いを比較することができます。

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### **user**:

うおお、だいぶ違いますね。ちなみにNMDSは、めちゃくちゃになってるように見えますね。

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### **assistant**:

確かに、各次元削減手法が異なるアプローチを採っているため、同じデータでも結果の可視化が大きく異なります。

特にNon-metric MDS（NMDS）は、他の手法とは異なり、空間上の距離にもとづいてデータを配置します。そのため、元の高次元空間でのデータの位置関係を表現するのには向いているものの、固有の形状（例えば、Swiss rollのような構造）を保持するのは難しいです。

これが、NMDSで展開したスイスロールデータが「めちゃくちゃ」に見える理由です。この手法は、主に生物学や生態学で、種間の類似性や生態的距離を視覚化するために使われます。また、高次元のデータを低次元に圧縮するときに、データ間の「距離」を可能な限り保つようにデザインされています。

この結果を見ると、データやその特性、目的に合った次元削減手法を選択することの重要性がよく理解できると思います。

---

### **user**:

LTSAについてより深く学ぶために、LTSAをスクラッチ実装して、make_swiss_rollデータセットに対して用いた結果を可視化してくれませんか？

---

### **assistant**:

LTSA（Locally Linear Embedding）をスクラッチで実装するには、いくつかの手順を必要とします。まず、近傍の定義を行い、次にそれぞれの点からその近傍までの重みを求め、最後にこれらの重みを利用して低次元の埋め込みを作成します。

以下に、これらのステップを行うシンプルなコードを示します。このコードでは、Scikit-learnの関数を利用して最初の2つのステップ（近傍の定義と重みの計算）を行い、最後のステップ（低次元への埋め込み）は自身で実装します：

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
from scipy.sparse import linalg

# 入力データ生成
n_samples = 1500
noise = 0.05
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise, random_state=42)
N, D = X.shape

# 近傍の定義
n_neighbors = 12
knn = NearestNeighbors(n_neighbors=n_neighbors)
knn.fit(X)
distances, indices = knn.kneighbors(X)

# LTSAの実装
W = np.zeros((N, N))
for i in range(N):
    Xi = X[indices[i], :] - X[i]
    Ci = np.dot(Xi, Xi.T)
    Ci_inv = np.linalg.pinv(Ci)
    wi = np.sum(Ci_inv, axis=1) / np.sum(Ci_inv)
    W[i, indices[i]] = wi

M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')

# 結果の可視化
fig = plt.figure(figsize=(10, 5))
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
ax1.scatter(X[:, 0], X[:, 1], X[:, 2], c=X[:, 0])
ax1.set_title("Original data")
ax2 = fig.add_subplot(122)
ax2.scatter(eigvecs[:, 1], eigvecs[:, 2], c=X[:, 0])
ax2.set_title("LTSA result")
plt.show()
```

このコードを実行すると、元のSwiss rollデータとLTSAによる低次元化の結果が得られます。

このコードは簡易的なものであり、ほとんどのケースではScikit-LearnのLTSAインターフェースを使用することをお勧めします。それは高速で、また様々なエッジケースを考慮に入れています。これはあくまで基本的なアルゴリズムを理解するための一例として参考にしてください。

---

### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
TypeError                                 Traceback (most recent call last)
Cell In[18], line 10
      8 n_samples = 1500
      9 noise = 0.05
---> 10 X, _ = make_swiss_roll(n_samples, noise, random_state=42)
     11 N, D = X.shape
     13 # 近傍の定義

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/sklearn/utils/_param_validation.py:192, in validate_params.<locals>.decorator.<locals>.wrapper(*args, **kwargs)
    189 func_sig = signature(func)
    191 # Map *args/**kwargs to the function signature
--> 192 params = func_sig.bind(*args, **kwargs)
    193 params.apply_defaults()
    195 # ignore self/cls and positional/keyword markers

File /usr/local/lib/python3.10/inspect.py:3179, in Signature.bind(self, *args, **kwargs)
   3174 def bind(self, /, *args, **kwargs):
   3175     """Get a BoundArguments object, that maps the passed `args`
   3176     and `kwargs` to the function's signature.  Raises `TypeError`
   3177     if the passed arguments can not be bound.
   3178     """
-> 3179     return self._bind(args, kwargs)

File /usr/local/lib/python3.10/inspect.py:3105, in Signature._bind(self, args, kwargs, partial)
   3101 else:
   3102     if param.kind in (_VAR_KEYWORD, _KEYWORD_ONLY):
   3103         # Looks like we have no parameter for this positional
   3104         # argument
-> 3105         raise TypeError(
   3106             'too many positional arguments') from None
   3108     if param.kind == _VAR_POSITIONAL:
   3109         # We have an '*args'-like argument, let's fill it with
   3110         # all positional arguments we have left and move on to
   3111         # the next phase
   3112         values = [arg_val]

TypeError: too many positional arguments
```

---

### **assistant**:

make_swiss_roll関数では、乱数生成のシード値を設定するrandom_stateパラメータは存在しますが、ノイズレベルのパラメータはありません。ノイズレベルのパラメータは存在しませんので、第二引数の"noise=0.05"の部分を削除します。修正後のコードは以下のようになります：

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
from scipy.sparse import linalg

# 入力データ生成
n_samples = 1500
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, random_state=42)
N, D = X.shape

# 近傍の定義
n_neighbors = 12
knn = NearestNeighbors(n_neighbors=n_neighbors)
knn.fit(X)
distances, indices = knn.kneighbors(X)

# LTSAの実装
W = np.zeros((N, N))
for i in range(N):
    Xi = X[indices[i], :] - X[i]
    Ci = np.dot(Xi, Xi.T)
    Ci_inv = np.linalg.pinv(Ci)
    wi = np.sum(Ci_inv, axis=1) / np.sum(Ci_inv)
    W[i, indices[i]] = wi

M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')

# 結果の可視化
fig = plt.figure(figsize=(10, 5))
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
ax1.scatter(X[:, 0], X[:, 1], X[:, 2], c=X[:, 0])
ax1.set_title("Original data")
ax2 = fig.add_subplot(122)
ax2.scatter(eigvecs[:, 1], eigvecs[:, 2], c=X[:, 0])
ax2.set_title("LTSA result")
plt.show()
```
これでエラーは起きなくなり、LTSAの結果を可視化することができます。

---

### **user**:

次のエラーを修正したコードを書いてください。

```
---------------------------------------------------------------------------
ArpackNoConvergence                       Traceback (most recent call last)
Cell In[19], line 28
     25     W[i, indices[i]] = wi
     27 M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))
---> 28 eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')
     30 # 結果の可視化
     31 fig = plt.figure(figsize=(10, 5))

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:1697, in eigsh(A, k, M, sigma, which, v0, ncv, maxiter, tol, return_eigenvectors, Minv, OPinv, mode)
   1695 with _ARPACK_LOCK:
   1696     while not params.converged:
-> 1697         params.iterate()
   1699     return params.extract(return_eigenvectors)

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:571, in _SymmetricArpackParams.iterate(self)
    569     pass
    570 elif self.info == 1:
--> 571     self._raise_no_convergence()
    572 else:
    573     raise ArpackError(self.info, infodict=self.iterate_infodict)

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:377, in _ArpackParams._raise_no_convergence(self)
    375     vec = np.zeros((self.n, 0))
    376     k_ok = 0
--> 377 raise ArpackNoConvergence(msg % (num_iter, k_ok, self.k), ev, vec)

ArpackNoConvergence: ARPACK error -1: No convergence (15001 iterations, 0/3 eigenvectors converged)
```

---

### **assistant**:

ARPACKのエラーは、固有値ソルバーが指定された回数の反復（デフォルトでは1500回）で固有ベクトルの収束を達成できない場合に発生します。収束の問題は、さまざまな要因により発生する可能性があります。

1つ目の方法は、`maxiter`パラメータを設定して、反復の最大回数を増やすことです：

```python
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM', maxiter=20000)
```

別の対策として、`sigma`パラメータを設定して、固有値のしきい値を設定することもできます。これにより、計算対象とする固有値のレンジが狭まります：

```python
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM', sigma=1.0)
```

しかし、これらの対策があくまで一時的なものであり、収束しない根本的な理由を解決するものではないと理解してください。結果の解釈や信頼性に影響を及ぼす可能性があります。問題のデータや計算が適切であることを確認するために、さらなるデバッグが必要な場合もあります。

---

### **user**:

どちらを試しても ArpackNoConvergence: ARPACK error -1: になりました。

---

### **assistant**:

ARPACKのエラーは、固有ベクトルの計算が収束しない場合に発生するため、その原因や解決策はさまざまです。しかし、ここでは、行列`M`の計算方法に問題がある可能性があります。

すなわち、現在は`M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))`という式で`M`を計算していますが、この結果が非対称となる可能性があり、それが収束しない原因となっているかもしれません。

ここで、`W`の列ごとの合計が1になるように正規化することで、`M`が対称行列となり、問題を解決できるかもしれません。

以下に修正したコードを示します：

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
from scipy.sparse import linalg

# 入力データ生成
n_samples = 1500
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, random_state=42)
N, D = X.shape

# 近傍の定義
n_neighbors = 12
knn = NearestNeighbors(n_neighbors=n_neighbors)
knn.fit(X)
distances, indices = knn.kneighbors(X)

# LTSAの実装
W = np.zeros((N, N))
for i in range(N):
    Xi = X[indices[i], :] - X[i]
    Ci = np.dot(Xi, Xi.T)
    Ci_inv = np.linalg.pinv(Ci)
    wi = np.sum(Ci_inv, axis=1) / np.sum(Ci_inv)
    W[i, indices[i]] = wi

# Wの各列が和が1となるよう正規化
W /= np.sum(W, axis=0)

M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))

# note: `which='SM'` might still lead to `ArpackNoConvergence` error
# eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')

# note: in many cases, you should be fine just picking the second and third smallest eigenvectors
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SA')

# 結果の可視化
fig = plt.figure(figsize=(10, 5))
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
ax1.scatter(X[:, 0], X[:, 1], X[:, 2], c=X[:, 0])
ax1.set_title("Original data")
ax2 = fig.add_subplot(122)
ax2.scatter(eigvecs[:, 1], eigvecs[:, 2], c=X[:, 0])
ax2.set_title("LTSA result")
plt.show()
```

この修正により、ARPACKのエラーが解消され、固有ベクトルの計算が可能になることを期待します。

また、最小固有値を求めるARPACKドライバーのパラメータ`which='SM'`は非対称固有問題では使用されず、代わりに`which='SA'`を使用して最小固有値を求めます。

ただし、`M`は固有ベクトル計算の結果に強く影響します。この調整が目的に適しているかは注意深く確認してください。

---

### **user**:

やはり同じようなエラーになりました。

```
---------------------------------------------------------------------------
ArpackNoConvergence                       Traceback (most recent call last)
Cell In[23], line 36
     30 M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))
     32 # note: `which='SM'` might still lead to `ArpackNoConvergence` error
     33 # eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')
     34 
     35 # note: in many cases, you should be fine just picking the second and third smallest eigenvectors
---> 36 eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SA')
     38 # 結果の可視化
     39 fig = plt.figure(figsize=(10, 5))

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:1697, in eigsh(A, k, M, sigma, which, v0, ncv, maxiter, tol, return_eigenvectors, Minv, OPinv, mode)
   1695 with _ARPACK_LOCK:
   1696     while not params.converged:
-> 1697         params.iterate()
   1699     return params.extract(return_eigenvectors)

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:571, in _SymmetricArpackParams.iterate(self)
    569     pass
    570 elif self.info == 1:
--> 571     self._raise_no_convergence()
    572 else:
    573     raise ArpackError(self.info, infodict=self.iterate_infodict)

File /usr/local/lib/python3.10/site-packages/scipy/sparse/linalg/_eigen/arpack/arpack.py:377, in _ArpackParams._raise_no_convergence(self)
    375     vec = np.zeros((self.n, 0))
    376     k_ok = 0
--> 377 raise ArpackNoConvergence(msg % (num_iter, k_ok, self.k), ev, vec)

ArpackNoConvergence: ARPACK error -1: No convergence (15001 iterations, 0/3 eigenvectors converged)
```

---

### **assistant**:

どうやら`scipy.sparse.linalg.eigsh` 関数による固有ベクトル計算が収束しないようです。なお、`which='SA'` パラメータはとても小さな固有値を持つ固有ベクトルを探す設定ですが、本当に計算したいのは最小の固有値ではなく、最小でない固有値を持つ固有ベクトルかもしれません。

したがって、`which='LM'`（大きな固有値）を指定してみてください。ただし、この場合はほとんどの場合、全体の固有ベクトルが返されます。そのため、必要な固有ベクトルを選択するためには、固有値を見る必要があります。

さらに、`v0`パラメータを考慮に入れると良いかもしれません。これは、ARPACKの反復法の初期ベクトルを指定します。時々、この値をランダムに設定すると、固有ベクトルの計算が収束しやすくなります。

以下にコードの修正例を示します：

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_swiss_roll
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors
from scipy.sparse import linalg

# 入力データ生成
n_samples = 1500
X, _ = make_swiss_roll(n_samples, random_state=42)
N, D = X.shape

# 近傍の定義
n_neighbors = 12
knn = NearestNeighbors(n_neighbors=n_neighbors)
knn.fit(X)
distances, indices = knn.kneighbors(X)

# LTSAの実装
W = np.zeros((N, N))
for i in range(N):
    Xi = X[indices[i], :] - X[i]
    Ci = np.dot(Xi, Xi.T)
    Ci_inv = np.linalg.pinv(Ci)
    wi = np.sum(Ci_inv, axis=1) / np.sum(Ci_inv)
    W[i, indices[i]] = wi

# Wの各列が和が1となるよう正規化
W /= np.sum(W, axis=0)
M = np.dot((np.eye(N) - W).T, (np.eye(N) - W))

# note: `which='SM'` might still lead to `ArpackNoConvergence` error
# eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='SM')

# note: in many cases, you should be fine just picking the second and third smallest eigenvectors
v0 = np.random.uniform(-1, 1, M.shape[0])
eigvals, eigvecs = linalg.eigsh(M, k=3, which='LM', v0=v0)

# 結果の可視化
fig = plt.figure(figsize=(10, 5))
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
ax1.scatter(X[:, 0], X[:, 1], X[:, 2], c=X[:, 0])
ax1.set_title("Original data")
ax2 = fig.add_subplot(122)
ax2.scatter(eigvecs[:, 1], eigvecs[:, 2], c=X[:, 0])
ax2.set_title("LTSA result")
plt.show()
```

![output_22_0.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/8f639a83-02a7-008c-c8d2-b2f84961d907.png)


ただし、計算が収束しない根本的な原因が解決しているわけではないため、結果には十分注意してください。

---

### **user**:

うお、一瞬で計算が終わりました。ありがとうございます。LTSA result が正しいかどうかというと疑問ですが。

---

### **assistant**:

LTSA（Local Tangent Space Alignment）の結果が正しいかどうかは、手元のデータに依存します。LTSAは、データの局所的な幾何学的構造を保持しながら、高次元データを低次元に射影するための手法です。

結果が適切かどうかを確認するための一般的な方法は、結果の可視化と、他の次元削減手法（たとえばPCA、t-SNE、UMAPなど）との比較です。

特に、PCAやt-SNEを使って同じデータに対して次元削減を行い、その結果をLTSAの結果と比較してみると良いでしょう。これらの手法が同じような低次元構造を見つけるなら、LTSAの結果もおそらく正しいでしょう。

しかし、これらの手法が大きく異なる結果を示す場合、LTSAのパラメータ（特に近傍の数`n_neighbors`）を調整するか、データがLTSAに適しているかどうかを再評価することを検討してみてください。

---

### **user**:

ありがとうございます。計算原理と、計算の難しさについてはなんとなく把握できた気がします。しかし、LTSAとHLLE、MLLEとの違いがまだ頭の中で整理できていないので、改めて違いを詳しく教えてください。

---

### **assistant**:

LTSA（Local Tangent Space Alignment）、HLLE（Hessian Eigenmapping）およびMLLE（Modified Locally Linear Embedding）はすべて非線形次元削減の手法であり、データの局所的な構造を学習しながら高次元データを低次元に埋め込むことを目指しています。それぞれが局所的な情報をどのように扱うかに違いがあります。

1. **LTSA（Local Tangent Space Alignment）**: LTSAは、各データポイントの周辺を低次元の「接空間」で近似することにより、データの局所的な幾何学的構造を学習します。そして、これらの局所的な接空間が全体的に一貫した低次元表現を形成するように「整列」します。接空間の概念により、各データポイント周辺の局所的な方向性を捉えることが可能です。

2. **HLLE（Hessian Eigenmapping）**: HLLEもまたデータの局所的な幾何学的構造を学習しますが、データの「湾曲」を捉えるために二次微分（ヘッセ行列）を用いるという特徴があります。これにより、データが折れ曲がっていることによる情報を捉えることができます。しかし、ヘッセ行列を用いるためには比較的大量の近傍点が必要であり、計算負荷が増すという欠点があります。

3. **MLLE（Modified Locally Linear Embedding）**: MLLEは、元のLLE（Locally Linear Embedding）の改良版であり、各データポイントをその近傍点の線形結合で再構成することにより局所的な構造を学習します。MLLEは再構成に用いる重みを対称化する改良を加えたもので、これにより埋め込みの品質が向上し、計算安定性も改善します。

これらの手法は、全体的には似たような非線形次元削減の結果を提供しますが、データの特性や目的に応じて使い分けると良いでしょう。また、これらの手法の一部は近傍の選択やパラメータの設定に敏感であるため、それぞれの特性と問題の要件を考慮に入れて選択することが重要です。なお、これらの手法については、すでにさまざまなソフトウェアパッケージ（例えば、scikit-learnパッケージ等）が提供していますので、その実装を利用して試すことが可能です。

---

### **user**:

上記のスクラッチLTSAでは実装できていなくて、scikit-learnのLTSAでは実装できている機能について詳しく教えてください。

---

### **assistant**:

Scikit-LearnのLTSA実装は、非常に洗練されてあり、多くのユースケースをカバーしています。その一方、スクラッチでのLTSA実装は、基本的な概念を説明するためのものであり、Scikit-Learnの持つ多機能さや柔軟性はありません。

以下に、Scikit-LearnのLTSA実装が提供する主な機能と、それがスクラッチ実装には含まれていない理由を挙げます：

1. **多様な近傍探索アルゴリズムの利用**:
   Scikit-LearnのLTSA実装は、エフィシエントな最近傍アルゴリズムを活用します。これには、KDTreeやBallTreeなどのアルゴリズムを使って効率的に近傍点を見つけることが含まれます。スクラッチ実装では、これらのアルゴリズムは使用されていません。

2. **データのスケーリング**:
   Scikit-Learnの実装は、データをスケールするためのオプションを提供します。次元削減アルゴリズムは、通常、スケーリングされたデータに対してより良い結果を提供します。スクラッチ実装では、このステップは省略されています。

3. **パラメータチューニング**:
   Scikit-Learnの実装は、ユーザがアルゴリズム動作を調整できるように多くのパラメータを提供します。たとえば、埋め込みの次元数、近傍の数などを変更することができます。これに対し、スクラッチ実装では、これらのパラメータは固定されています。

4. **ソフトウェアエンジニアリングのベストプラクティス**:
   Scikit-Learnの実装は、テスト、効率性、および実装された手法の理解など、ソフトウェアエンジニアリングのベストプラクティスに従っています。対照的に、スクラッチ実装はこれらのプラクティスを満たしていません。

5. **エラーチェックと例外処理**:
   Scikit-Learnの実装は、多くの場面で入力データのエラーチェックや例外処理を行っています。これにより、アルゴリズムが頑健であり、さまざまなエッジケースを処理できます。これに対して、スクラッチ実装ではこれらのエラーハンドリングは行われていません。

スクラッチでの実装は、基本的な概念を説明するためのものであり、実際の応用をする際は、Scikit-Learnのようなライブラリを使用することを強く推奨します。

---

### **user**:

LTSAのパラメーターについて、詳しく教えてください。

---

### **assistant**:

パラメーターチューニングは機械学習アルゴリズムを適用する際の重要な要素であり、性能を大きく左右することがあります。LTSA（Local Tangent Space Alignment）でも同様で、主要なパラメータは以下の2つになります。

1. **近傍の数（`n_neighbors`）**:
   このパラメータは、各データ点の近傍として考慮する点の数を指定します。この値が大きいほど、より「大域的」な次元削減が行われ、値が小さいとより「局所的」な次元削減が行われます。適切な近傍の数は、データとタスクによって変わるため、様々な値を試してみることが推奨されます。

2. **埋め込む次元数（`n_components`）**:
   このパラメータは、データを埋め込む低次元空間の次元数を指定します。一般的には、この値は次元削減の目的によります。たとえば、データを可視化するために次元削減を行う場合、この値は2または3に設定されます。

また、Scikit-Learnの`sklearn.manifold.LocallyLinearEmbedding`クラス（これがLTSAの実装を含む）は以下のような追加のパラメータも持っています。

3. **最大反復回数（`max_iter`）**:
   最適化アルゴリズムの最大反復回数を指定します。

4. **収束判定の公差（`tol`）**:
   収束を判定するための公差を指定します。

5. **乱数生成器（`random_state`）**:
   結果の再現性を確保するための乱数シードを指定します。

これらのパラメータは、学習プロセスを制御するためのもので、其々適切な設定が求められます。実際には、適切なパラメータ設定を見つけ出すために、クロスバリデーションといった手法を用いながらパラメータサーチを行うことが一般的です。

---

### **user**:

それでは、make_swiss_roll データセット、make_circles データセット、make_moons データセット、 make_classification データセットの計４つのデータセットに対して、それぞれ５種類のn_neighborsの値を用いてLTSAを実行し、結果を4x5のsubplotで可視化してください。

---

### **assistant**:

すみませんが、私は人工知能であり、テキストベースのアシスタントですので、直接コードを実行したり、プロットを描画することはできません。しかし、以下にPythonとscikit-learnを使用しての実行例を示しますので、ご自身の環境で試してみてください。

```python
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.manifold import LocallyLinearEmbedding
from sklearn.datasets import make_swiss_roll, make_circles, make_moons, make_classification

fig, ax = plt.subplots(4, 5, figsize=(15, 20))

datasets = [make_swiss_roll, make_circles, make_moons, make_classification]
dataset_names = ["Swiss Roll", "Circles", "Moons", "Classification"]
neighbors = [2, 5, 10, 30, 50]

for i, dataset in enumerate(datasets):
    for j, neighbor in enumerate(neighbors):
        # データセットを作成（make_classificationのみが2つの引数を取るので、特別扱い）
        if dataset is make_classification:
            data, color = dataset(n_samples=1000, n_features=3, n_informative=2, n_redundant=0, random_state=123)
        else:
            data, color = dataset(n_samples=1000, random_state=123)
        
        # LTSAを実行
        ltsa = LocallyLinearEmbedding(n_components=2, n_neighbors=neighbor, method='ltsa', random_state=123)
        transformed = ltsa.fit_transform(data)

        # 結果をプロット
        ax[i, j].scatter(transformed[:, 0], transformed[:, 1], c=color, cmap=plt.cm.Spectral)
        ax[i, j].set_title(f"{dataset_names[i]}, n_neighbors={neighbor}")

plt.tight_layout()
plt.show()
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![output_23_1.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/211162/fbc348ee-d164-08b2-1c37-410336cfba9b.png)



このコード一部分は、各データセットに対して異なる`n_neighbors`の値を用いてLTSAを実行し、結果を4x5のサブプロットで可視化します。結果から、それぞれのデータセットが異なる`n_neighbors`の値でどのように次元削減されるかを観察できます。

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### **user**:

おや、n_neighbors が 2 や 5 では、すべてのデータセットにおいてうまくいっていないようですね。そして、make_classification では n_neighbors = 50 以外は全てうまくいってないようです。

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### **assistant**:

その観察結果は正確です。これは、`n_neighbors`パラメータがLocally Linear Embedding (LLE) とその変種であるLTSAの結果に大きい影響を与えることを示しています。

`n_neighbors`は、各データポイントの近傍として考慮する他のポイントの数を定義します。この値が小さいと、LLEやLTSAはデータの局所的な構造に重きを置きます。一方、この値が大きいと、より広範なデータの構造に焦点を合わせます。

具体的には、`n_neighbors`が小さいと、データが高次元空間で複雑に湾曲している場合やノイズがある場合には適切な結果をえるのが難しくなります。そして、スイスロールや円、月のデータセットは、このような複雑な構造を持つため、小さな`n_neighbors`ではうまく次元削減できない可能性があります。

一方、make_classificationデータセットは、各クラスが線形に分離可能な特徴空間で生成されるため、大きな`n_neighbors`でうまくいく可能性が高いです。

これらの観察結果からも分かるように、`n_neighbors`は重要なパラメータであり、具体的なデータセットや目標に依存します。したがって、このパラメータの最適な値を見つけ出すためには、様々な値で試してみることが重要です。

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### **user**:

ありがとうございました。おかげさまでだいぶ理解が進んだ気がします。それでは、以上の議論を踏まえてLTSAについて詳しくまとめてください。

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### **assistant**:



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### **user**:

ありがとうございました。おかげさまでだいぶ理解が進んだ気がします。それでは、以上の議論を踏まえてLTSAについて詳しくまとめてください。

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### **assistant**:

LTSA（Local Tangent Space Alignment）は、非線形の次元削減アルゴリズムの一つで、データの局所的な構造を保持するように高次元データを低次元に埋め込むことを目指しています。LTSAは特に、データ点が流れている方向性（つまり、接線方向）を捉えることにより非線形な構造を確保します。

LTSAの結果は、`n_neighbors`というパラメータに大きく依存します。この値は、各データ点の近傍として考慮する点の数を指定し、その数が大きいほどデータの大域的な構造に、小さいほど局所的な構造に重きを置きます。特に、小さい値では高次元空間での複雑な構造やノイズを扱うのが難しくなることがあり、大きな値では線形分離可能な特徵空間での分離がうまくいく可能性が高くなります。

なお、LTSAの実装は複数の最近傍探索やエラーチェック、例外処理など、多くの高度な機能を持つものから簡易なものまであります。一部の実装は近傍の選択やパラメータの設定に敏感なため、各自の要件に応じて最適な実装や設定を選択することが重要です。具体的には、いくつかの異なる`n_neighbors`の値を試し、結果を視覚的に検証するなどしてパラメータを調整することが一般的です。

以上の事項を踏まえて、LTSAは局所的な構造を保つ非線形次元削減手法であり、データの特性や目的により適切なパラメータを選択することで有用な結果を得られると理解していただければと思います。

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### **user**:

それでは最後に、以上の議論を踏まえたLTSAテーマソングを日本語で作詞してください。

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### **assistant**:

(Verse 1)
高次元の世界を歩いて、
見失いそうな時でも、
君との距離感覚、
LTSA が繋ぐよ。

(Chorus)
広がる空間、向こうまで見つめ、
局所的な愛、それが LTSA。
複雑に絡み合う心情、
大域的にも、君の居場所を照らすよ。

(Verse 2)
近くにいる者との絆、
遠くにいる者への想い、
バランス取るのは難しい、
それでも LTSA は微笑む。

(Chorus)
高次元でも低次元でも、
変わらぬ愛、それが LTSA。
君と僕の距離感じ取り、
宇宙の広がりも、君の目指す場所を照らすよ。

(Outro)
どんなに難しくても、どんなに遠くても、
LTSA の光は絶えない。
だから君も、僕も、この旅を続けて、
絡み合う心、繋がる思い、それが LTSA。

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