モデルのトレーニングと評価

ML.NET を使用して、機械学習モデルの構築、メトリックの収集、およびパフォーマンスの測定を行う方法について説明します。 このサンプルでは回帰モデルがトレーニングされますが、この概念は他の主なアルゴリズムに適用できます。

トレーニングとテストのためにデータを分割する

機械学習モデルの目的は、トレーニング データ内のパターンを識別することです。 これらのパターンは、新しいデータを使用して予測を行うために使用されます。

データは HousingData などのクラスでモデル化できます。

public class HousingData
{
    [LoadColumn(0)]
    public float Size { get; set; }

    [LoadColumn(1, 3)]
    [VectorType(3)]
    public float[] HistoricalPrices { get; set; }

    [LoadColumn(4)]
    [ColumnName("Label")]
    public float CurrentPrice { get; set; }
}

IDataView にロードされた、次のデータがあるとします。

HousingData[] housingData = new HousingData[]
{
    new HousingData
    {
        Size = 600f,
        HistoricalPrices = new float[] { 100000f ,125000f ,122000f },
        CurrentPrice = 170000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 1000f,
        HistoricalPrices = new float[] { 200000f, 250000f, 230000f },
        CurrentPrice = 225000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 1000f,
        HistoricalPrices = new float[] { 126000f, 130000f, 200000f },
        CurrentPrice = 195000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 850f,
        HistoricalPrices = new float[] { 150000f,175000f,210000f },
        CurrentPrice = 205000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 900f,
        HistoricalPrices = new float[] { 155000f, 190000f, 220000f },
        CurrentPrice = 210000f
    },
    new HousingData
    {
        Size = 550f,
        HistoricalPrices = new float[] { 99000f, 98000f, 130000f },
        CurrentPrice = 180000f
    }
};

TrainTestSplit メソッドを使用して、データをトレーニング セットとテスト セットに分割します。 結果は、2 つの IDataView メンバー (トレーニング セット用とテスト セット用) が含まれる TrainTestData オブジェクトになります。 データ分割の割合は、testFraction パラメーターによって決まります。 以下のスニペットは、テスト セットの元のデータの 20% を保持しています。

DataOperationsCatalog.TrainTestData dataSplit = mlContext.Data.TrainTestSplit(data, testFraction: 0.2);
IDataView trainData = dataSplit.TrainSet;
IDataView testData = dataSplit.TestSet;

データを準備する

機械学習モデルをトレーニングする前に、データを前処理する必要があります。 データ準備の詳細については、データ準備のハウツー記事と transforms page を参照してください。

ML.NET のアルゴリズムには、入力列の型に制約があります。 さらに、値が指定されていない場合は、入力列名と出力列名に既定値が使用されます。

予想される列の型を使用する

ML.NET の機械学習アルゴリズムは、入力として既知のサイズの float 型のベクターを想定しています。 すべてのデータが既に数値形式であり、一緒に処理されることが意図されている場合 (つまり、画像のピクセル)、データ モデルに VectorType 属性を適用します。

データがすべて数値ではなく、各列に異なるデータ変換が個別に適用される場合は、すべての列が処理された後に Concatenate メソッドを使用して、個々の列すべてを、新しい列に出力される 1 つの特徴ベクターに結合します。

次のスニペットは、Size 列と HistoricalPrices 列を 1 つの特徴ベクターにまとめ、それを Features という名前の新しい列に出力します。 スケールに違いがあるため、データを正規化するように NormalizeMinMax が Features 列に適用されます。

// Define Data Prep Estimator
// 1. Concatenate Size and Historical into a single feature vector output to a new column called Features
// 2. Normalize Features vector
IEstimator<ITransformer> dataPrepEstimator =
    mlContext.Transforms.Concatenate("Features", "Size", "HistoricalPrices")
        .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMinMax("Features"));

// Create data prep transformer
ITransformer dataPrepTransformer = dataPrepEstimator.Fit(trainData);

// Apply transforms to training data
IDataView transformedTrainingData = dataPrepTransformer.Transform(trainData);

既定の列名を使用する

何も指定されていない場合、ML.NET アルゴリズムでは既定の列名が使用されます。 すべてのトレーナーには、アルゴリズムの入力用に featureColumnName というパラメーターがあり、適用可能な場合は labelColumnName という予期される値のパラメーターもあります。 既定では、これらの値はそれぞれ Features と Label です。

前処理中に Concatenate メソッドを使用して Features という名前の新しい列を作成すると、前処理済みの IDataView に既に存在するため、アルゴリズムのパラメーターで特徴列の名前を指定する必要がなくなります。 このラベル列は CurrentPrice ですが、データ モデルでは ColumnName 属性が使用されているため、ML.NET によって CurrentPrice 列の名前が Label に変更され、機械学習アルゴリズム エスティメーターに labelColumnName パラメーターを指定する必要がなくなります。

既定の列名を使用しない場合は、後続のスニペットで示すように、機械学習アルゴリズム エスティメーターを定義するときに、特徴列とラベル列の名前をパラメーターとして渡します。

var UserDefinedColumnSdcaEstimator = mlContext.Regression.Trainers.Sdca(labelColumnName: "MyLabelColumnName", featureColumnName: "MyFeatureColumnName");

データのキャッシュ

既定では、データが処理されるときに、遅れて読み込まれたり、ストリーミングされたりします。これは、トレーナーがディスクからデータを読み込み、トレーニング中に複数回これを繰り返すことができることを意味します。 そのため、メモリに収まるようにデータセットをキャッシュし、ディスクからデータが読み込まれる回数を減らすことをお勧めします。 キャッシュは、AppendCacheCheckpoint を使用して EstimatorChain の一部として実行されます。

パイプラインのトレーナーの前に AppendCacheCheckpoint を使用することをお勧めします。

次の EstimatorChain を使用して、 トレーナーの前に StochasticDualCoordinateAscentAppendCacheCheckpoint を追加することで、トレーナーが後で使用するために前の見積りツールの結果がキャッシュされます。

// 1. Concatenate Size and Historical into a single feature vector output to a new column called Features
// 2. Normalize Features vector
// 3. Cache prepared data
// 4. Use Sdca trainer to train the model
IEstimator<ITransformer> dataPrepEstimator =
    mlContext.Transforms.Concatenate("Features", "Size", "HistoricalPrices")
        .Append(mlContext.Transforms.NormalizeMinMax("Features"))
        .AppendCacheCheckpoint(mlContext);
        .Append(mlContext.Regression.Trainers.Sdca());

機械学習モデルをトレーニングする

データの前処理を完了したら、Fit メソッドを使用して、StochasticDualCoordinateAscent 回帰アルゴリズムで機械学習モデルをトレーニングします。

// Define StochasticDualCoordinateAscent regression algorithm estimator
var sdcaEstimator = mlContext.Regression.Trainers.Sdca();

// Build machine learning model
var trainedModel = sdcaEstimator.Fit(transformedTrainingData);

モデル パラメーターを抽出する

モデルがトレーニングされた後、検査または再トレーニングのために学習済みの ModelParameters を抽出します。 LinearRegressionModelParameters には、トレーニング済みモデルの偏り係数、学習済み係数、または重みが用意されています。

var trainedModelParameters = trainedModel.Model as LinearRegressionModelParameters;

注意

他のモデルには、それぞれのタスクに固有のパラメーターがあります。 たとえば、K-Means アルゴリズムでは重心に基づいてデータがクラスターに配置され、KMeansModelParameters にはその学習済みの重心を格納するプロパティが含まれます。 詳細については、Microsoft.ML.Trainers API ドキュメントを参照し、名前に ModelParameters を含むクラスを探します。

モデルの品質を評価する

最適なパフォーマンスを発揮するモデルを選択するには、テスト データでそのパフォーマンスを評価することが重要です。 Evaluate メソッドを使用して、トレーニング済みモデルのさまざまなメトリックを測定します。

注意

Evaluate メソッドによって生成されるメトリックは、実行された機械学習タスクによって異なります。 詳細については、Microsoft.ML.Data API ドキュメントを参照し、名前に Metrics を含むクラスを探します。

// Measure trained model performance
// Apply data prep transformer to test data
IDataView transformedTestData = dataPrepTransformer.Transform(testData);

// Use trained model to make inferences on test data
IDataView testDataPredictions = trainedModel.Transform(transformedTestData);

// Extract model metrics and get RSquared
RegressionMetrics trainedModelMetrics = mlContext.Regression.Evaluate(testDataPredictions);
double rSquared = trainedModelMetrics.RSquared;

前のコード サンプルの内容は次のとおりです。

1. テスト データ セットは、以前に定義されたデータ準備変換を使用して前処理されます。
2. トレーニング済み機械学習モデルは、テスト データに基づいて予測するために使用されます。
3. Evaluate メソッドでは、テスト データ セットの CurrentPrice 列の値を新しく出力された予測の Score 列と比較して、回帰モデルのメトリックを計算します。そのうちの 1 つである R-2 乗値は rSquared 変数に格納されます。

注意

この小さな例では、データのサイズが限られているため、R-2 乗値は 0 から 1 の範囲に含まれない数値です。 実際のシナリオでは、0 から 1 の間の値が示されると想定されます。