機械学習とは

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機械学習とは

この授業では, 機械学習 の理論と実践を学びます. 機械学習は「データから規則性やルールを抽出する」ための手法の総称です. 近年,注目される人工知能の基礎技術として知られる ディープラーニング も機械学習の一つです. その応用範囲は幅広く,顔検出,手書き文字の認識,商品の推薦,株価の予測などに用いられています.

例えば,Facebookでは,機械学習を用いて自動的に顔を検出し,個人を識別する仕組みが導入されていることが,よく知られています. 下記のように画像をアップロードするだけで,過去の画像データから,個人を認識しラベリングがなされます.

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この他にも,画像を特徴付ける単語をリストアップするClarifai, 存在しない人の顔写真を生成するThis Person does Not Exist, 音楽を自動生成するAmper Musicなど,数多くのサービスが生み出されています.

機械学習の多くは,確率分布など統計的な手法が用いられており, 数学の知識がないと理解できないことも多く,初学者にはハードルが高い分野です. 一方で,PythonR などのプログラミング言語では, 機械学習のためのライブラリが充実しており,機械学習を実装するための環境は整っています. そこで,本授業では,Python の実装が容易なJupyter Notebookを活用し, 理論だけを学ぶのではなく,アルゴリズムの実装までを経験することで,機械学習を実践的に活用できるようになることを目標とします.

Jupyter Notebookのインストール

Jupyetr Notebookをインストールします. 過去に人工知能などの授業で既にインストール済みの場合はスキップして構いません.

まずはPythonのインストール・パッケージをダウンロードしましよう. このとき,Pythonのバージョンは3.xを選択してください. インストールを始める前に,ファイルをインストールするためのフォルダを作成します. Hドライブ に,MyPythonという名前でフォルダを作成してください.

それでは,インストーラを実行しましょう. Customize installationを選択し, パッケージ管理システムの pip が同時にインストールされることを確認してください.

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このとき,インストールするフォルダは,上記で作成したH:\MyPythonとすることに注意してください.

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インストールが終了すると,下記のダイアログが表示されます. Closeを選択して,ダイアログを閉じてください.

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次にインストールしたフォルダに移動し, シフトを押しながら右クリックして PowerShell を起動し,下記のコマンドを実行します. PowerShellは,マイクロソフト製のコマンドラインインターフェイスです. これで,Jupyter Notebookのインストールは完了です.

> .\Scripts\pip install jupyter
> .\Scripts\pip install "ipython[notebook]"

最後に,PowerShellから下記のコマンドを実行し,Jupyter Notebookを起動してください(エクスプローラでダブルクリックでもOK).

> .\Scripts\jupyter-notebook.exe

Jupyter Notebookの起動

Anacondaをインストールしたら,Jupyter Notebookを起動しましょう. まずは,スタートメニューから, Anaconda Navigator を起動します. この画面では,Jupyter Notebook に加え, Jupyter LabSpyder など, Pythonの開発環境を選択して,起動することができます. ここでは, Jupyter Notebook の「Lanch(起動)」をクリックしましょう.

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起動すると,ブラウザ(Chromeを推奨)に Jupyter Notebook のトップ画面が表示されます. この画面で,ノートブック(Jupyter Notebookのプロジェクト)を管理します. 早速, New をクリックして,Python 3 を選択し,新規にノートブックを作成しましょう.

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ノートブックは下記の画面となります. まずは,ノートブックにタイトルを設定します. Untitled となっている箇所をクリックし,Notebook1 と入力します(次回以降も同様にタイトルを設定する).

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次に,簡単な計算をやってみましょう. ノートブックには,文字列や数式の入力可能なフィールドがあり,セル と呼びます. ここに,下記のように入力します.

1+2

入力したら,実行ボタンをクリックします(Shift + EnterでもOK). この結果, 3 という出力が得られることが分かります. Jupyter Notebook では,このセルにPythonのコードを入力することで, プログラムの実行結果が確認できる仕組みになっています.

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print関数

Jupyter Notebook では,自動的に最後のセルに入力された式や変数の値を出力する仕様になっています. 明示的に出力を行いたい場合は, print 関数を用いることで解決できます. 文字列を出力する場合は,文字列の前後に ""(ダブルクォーテーション) が必要なことに注意してください.

print(1+2)
print("Hello World!")

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ノートブックの保存

ここで,ノートブックを保存します. Save and Checkpoint のボタンをクリックしてください. 最後に,Close and Halt でノートブックを終了します.

トップ画面に戻ると Notebook1.ipynb というファイルが作成されていることが分かります. これを選択することで,ノートブックを開き,作業を再開することが出来ます.

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参考書籍