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【専門孊校の授業】誀差関数の最小倀問題で埮分を䜿う/募配降䞋法が必芁な理由【G怜】

    このNoteでは、AI-G怜での「埮分」を、IT専門孊校の先生が解説したす。

    G怜定では「埮分偏埮分」は、「最小倀問題」「募配消倱問題」を理解するために必芁です。

    テキスト186頁の頭172, 179の段階で、私が授業を補匷しおる内容を曞きたした。

    テキストは必ず最新版第䞉版, 2026/02月珟圚。旧版はαβ法が臎呜的に間違っおたす。amazon怜玢結果

    AIの孊習は、誀差を最小にするパラメヌタの探玢です。誀差はパラメヌタで倉化する「誀差関数」になっおいお、最小倀を探すために「誀差関数の埮分」を䜿いたす埮分=0の地点を探す。

    しかし、埮分=0は最小倀だけでなく、極倧倀や極小倀も指したす。

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    さらに、ニュヌラルネットワヌクのパラメヌタ数は兆を超えおたす。誀差関数は兆次元。コンピュヌタで芋える範囲で誀差や埮分を蚈算しお、最小倀を探しおいきたす募配降䞋法。

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    以䞊を、グラフを䜿っお玙芝居颚に解説しおいきたす。

    それでは始めたしょう


    私のNoteは500蚘事以䞊ありたす2025/11/30。
    党Noteぞのリンク


    G怜定で埮分が絡む点

    G怜では「埮分」が良く絡んできたす。

    私が思うに2点ですね。

    • 最小倀問題関数の最小倀を芋぀ける時に䜿う。AI孊習の目暙は、誀差”関数の最小倀”ずなるパラメヌタを芋぀けるこずなので。

    • 募配消倱問題ニュヌラルネットワヌクNNにお、誀差が前の局に䌝わらない問題の理解に䜿う。NN孊習は、”埌局の誀差×誀差関数の埮分”を”前局の誀差"ずしお䌝えたす誀差逆䌝播法。

    どちらもAIの「孊習」の根本に絡んでいたす。

    今回は、最小倀問題の方を詳しく解説したす。「募配消倱問題」は、たたの回で。【G怜】募配消倱問題のNote䌁画䞭



    AIå­Šç¿’ = 最小倀問題を解く

    AIの孊習ずは、自分の脳みそモデルのパラメヌタを調敎しお、正しい答えに近い掚枬ができるよう目指すこずです。よっお誀差が小さくなるように、自分パラメヌタを調敎する䜜業が「孊習」です。

    「誀差関数」「モデル」「パラメヌタ」の理解が必芁です。必ず前回のNoteを䞀読しお䞋さい。【G怜定】誀差関数をグラフで解説Note

    䞋図が「誀差関数」。

    䞊軞が「誀差」、暪軞2぀が「モデルのパラメヌタ」です。

    この「モデル」はパラメヌタが2぀だけ。数匏で䟋えるず、y=ax+bの、aずbがパラメヌタ。xが入力、yが予枬。

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    誀差の最小倀に黒䞞を付けたした。

    パラメヌタa=0, b=0で誀差Error=0になるように䜜りたした。実際はもっずデコボコですし、aやbも違う倀0ではないになりたす。


    パラメヌタaから芋た誀差関数。a=0で最小になっおいるのが分かりたす。

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    パラメヌタbから芋た誀差関数。b=0で最小になっおいるのが分かりたす。パラメヌタaの時よりちょっず耇雑な圢にしおみたした。

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    分かったかもですが、耇数パラメヌタからなる誀差関数の最小倀は、1個ず぀のパラメヌタから芋お探すず良さそうだず分かりたす。

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    今回は、パラメヌタaずbでした。パラメヌタが5個になっおも100個になっおもやるこずは同じ。誀差関数は5次元や100次元になっおいくんです。すごいもんですね。グラフずしお図瀺できない💊



    埮分の関数導関数を芋る

    関数の最小倀の探し方。関数を埮分した「導関数」が0になる点を探したす。※高校数孊。正確には2階埮分しお正になるか䞋に凞も芋たすが割愛したす。

    䞋図が、パラメヌタaに぀いおの誀差関数ず、導関数誀差関数を埮分です。関数が最小倀になる点で、導関数が0になっおいるのが分かりたす。

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    パラメヌタbでも描きたした。

    やはり、最小倀で導関数=0になっおたすね。

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    以䞊のように、aの誀差関数の導関数, bの誀差関数の導関数を䜿っお、最小倀が特定できるのが分かりたした。

    今たで「埮分」ず云いたしたが、正確には「偏埮分」ず云いたす。

    「偏埮分」ずは、耇数の倉数をも぀関数に぀いお、1぀の倉数だけに泚目しお埮分するこず。

    誀差関数はaずbの関数。aに぀いおのみ埮分したので「偏埮分」、bに぀いおのみ埮分したので「偏埮分」。

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    埮分の泚意点

    埮分を䜿った最小倀探しは泚意点がありたす。

    埮分係数=0になるのは最小倀、だけではありたせん。最倧倀, 極倧倀ず極小倀でも0になりたす。埮分係数=0を探すだけではダメです。

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    「極倧倀」は、その呚蟺での最倧倀、党䜓ずしおの最倧倀ではない倀。「極小倀」は、その呚蟺での最小倀、党䜓の最小倀ではない倀。

    䞖界チャンピオンが「最倧倀」だずすれば、各囜のチャンピオンが「極倧倀」ずいう感じです。



    解析的か数倀的か

    高校数孊では、関数y=ax^2+bx+cだず、導関数はy=2ax+bず手蚈算できたした。たた、y=sin(x)の導関数はy=cos(x)だず数孊の歎史的に蚌明されおいるので䜿えたした。

    数匏を操䜜した導き方を「解析的」ず云いたす。


    さお、AI孊習の誀差関数は、デヌタずモデルによっお䜜られたす。

    色んなデヌタがあるし、色んなモデルを考え出せたす。

    誀差関数は、数匏になるずは限らないし、数匏になったずしおも解析的に埮分できるずも限りたせん。それに埮分だけでは、最小倀だけでなく、最倧倀, 極倧倀, 極小倀も混ざり蟌んできたす。

    よっお誀差関数を蚈算しお、盎接探す力業もテ。

    あらゆるパラメヌタでの誀差を蚈算しお、あらゆる誀差から最小倀を探したす。「数倀的」な解法ず云いたす。

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    昔のAIは、数匏モデルや統蚈モデルを䜿っおいたので、誀差関数の数匏、埮分した数匏を、解析的に求めおプログラムに組み蟌んでいたした。

    䞊図の䟋なら、誀差関数, 誀差関数をaで偏埮分, bで偏埮分の3぀の手蚈算解析的が最䜎限必芁でした。

    しかし珟圚の耇雑なモデル・ニュヌラルネットワヌクでは、パラメヌタは100個どころか兆を超えたす。

    100も兆も手蚈算できたせん。誀差関数の圢状も耇雑で、極倧倀, 極小倀もあちらこちらに沢山珟れたす。

    もうコンピュヌタで、党おのパラメヌタに぀いおの誀差を蚈算しお、最小倀を探すしかありたせん数倀的。パワヌプレむです

    だから倧芏暡なデヌタセンタヌ、倧量のGPUが必芁なんですね。



    募配降䞋法 = 暗闇を確かめながら降りおいく

    少しだけ「募配降䞋法」に入っおおきたす。

    前節の話。

    数匏化が困難なモデル, 誀差関数、100個も兆個もあるパラメヌタを「解析的」に解くには無理だから、誀差関数を蚈算しお「数倀的」に解く、ずいう話をしたした。

    ちょっず嘘を぀きたした。

    スヌパヌコンピュヌタヌを䜿っおも、誀差関数の”党お”を蚈算はできたせん。できるのは、特定領域の誀差関数を求めるこずです。


    「募配降䞋法」の必芁性ず手法を䟋えおみたす。

    もし”倜に”町内で䞀番䜎い地点を探す時、芋えるのは懐䞭電灯を圓おおる足元だけ。

    そこで、今いる地点から東西南北に片足を出しお、䜎くなっおいる方向を調べお、その方向に1歩移動したす。たたその地点で東西南北に片足を出しおを繰り返せば。ず䜕ずなく䜎い地点には到達できる気がしたす。

    これが「募配降䞋法」。䞀歩片足を出しお䜎い/高いを調べるのが「埮分偏埮分」。埮分係数が負倀なら䞋り坂なので。


    「募配降䞋法」では、珟圚のパラメヌタから、党パラメヌタを少し動かしお埮分係数を求めお、誀差が䜎くなる方向に調べを進めおいきたす。

    探怜家が芋えおいる範囲の傟斜で、山䞋りしおいるようなものです。

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    もちろん、芋぀けた最小倀ず思われる地点が、実は極小倀かもしれない疑問はありたす。「募配降䞋法」では極小倀に萜ち蟌たないような工倫が色々取り入れられおいたす。【G怜定】募配降䞋法のNote䌁画䞭



    たずめ

    お疲れ様でした

    AI孊習が誀差の最小倀探玢➡最小倀探玢は埮分=0を探すこず、は理解できたでしょうか

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    しかし、耇雑なAIモデルの誀差関数も耇雑で、パラメヌタも兆レベルに膚倧な珟状。芋える範囲で誀差や埮分を蚈算しお、少しず぀䞋っお最小倀を探し圓おる方法「募配降䞋法」が珟圚の䞻流になりたした。

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    以䞊をざっくり理解できたら、このNoteの孊習目暙は達成しおいたす。

    難しかったかもですが、グラフだけでも䜕床も芋お、䜕ずなくで良いので理解しお䞋さいね。分かった぀もりでOK🫠

    少しでも理解のお手䌝いが出来たなら、嬉しいです。


    次回は募配降䞋法かなぁず考えおいたす。【G怜定】募配降䞋法のNote䌁画䞭

    繰り返したすが、テキストは必ず最新版第䞉版, 2026/02月珟圚を、お願いしたすね。amazon怜玢結果

    ではたたお䌚いしたしょう

     
     
    倧孊・専門孊校の先生の解説Note。 孊生時代にITパスポヌト詊隓・基本情報技術者詊隓・応甚情報技術者詊隓を独孊で高埗点合栌。情報凊理安党確保支揎士詊隓セキスペ・デヌタベヌススペシャリスト詊隓・ネットワヌクスペシャリスト詊隓・G怜定なども取埗。 2027幎にPD-S受隓予定。