ニューラルネットワークにKerasを利用してみた｜ITエンジニアとして経験・学習したこと

これまでは、ニューラルネットワークを自前で作成していたが、TensorflowやKeras、PyTorchといった、深層学習のフレームワークも利用することができる。

今回は、自前で作成していたニューラルネットワークをKerasで作成してみたので、その手順とサンプルプログラムを共有する。

前提条件

下記記事のAnacondaをインストールしJupyter Notebookを利用できること。

Python開発用のAnacondaをインストールしJupyter Notebookを利用してみた今回は、Pythonを勉強してみたいと思い、Python開発環境を構築してみたので、その手順を共有する。 Python開発用として...

tensorflowパッケージのインストール

AnacondaでKerasを利用するには、Anacondaでtensorflowパッケージを使えるようにする必要がある。その手順は、以下の通り。

1) Windowsのスタートメニューから「Anaconda Prompt」を選択する。

2) 以下のように、「conda list -f tensorflow」コマンドを実行し、Anacondaにtensorflowパッケージが含まれていないことを確認する。

3)「pip install tensorflow」コマンドを実行し、tensorflowパッケージをインストールする。

4)「conda list -f tensorflow」コマンドを再度実行し、Anacondaにtensorflowパッケージがインストールされたことを確認する。

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Kerasによるサンプルプログラムの作成と実行

今回実装するニューラルネットワークの全体構成は、以下のようになる。

また、重み\(\boldsymbol w\)の最適解は、下図における誤差関数\(E=(x_3 – y)^2\)が最小となる箇所で、これは誤差関数を（桃枠の）各変数について偏微分した結果が\(0\)になる値となる。

上記を、行列を用いて自前で実装したサンプルプログラムは、以下の記事に記載している。

ニューラルネットワークで行列の積を利用してみたニューラルネットワークのフォワードプロパゲーションやバックプロパゲーションで、行列の積を利用すると、計算をシンプルにできる。 ...

これと同等の内容を、Kerasで作成したサンプルプログラムの内容は、以下の通り。

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Activation, Dense
from tensorflow.keras.optimizers import SGD
import numpy as np

# Kerasでニューラルネットワークのモデルを作成する
model = Sequential()

# 入力値x_1, x_2を取り込む単一ニューロン(2個)を作成し、
# 活性化関数にシグモイド関数を指定
model.add(Dense(2, input_shape=(2,)))
model.add(Activation('sigmoid'))

# 出力値yを出力する単一ニューロン(1個)を作成し、
# 活性化関数にシグモイド関数を指定
model.add(Dense(1))
model.add(Activation('sigmoid'))

# モデルをコンパイル
# その際、損失(誤差)関数(loss)、最適化関数(optimizer)、評価関数(metrics)を指定
# 
# 損失(誤差)関数(loss)に平均二乗誤差(mse)を指定
# 最適化関数(optimizer)に確率的勾配(最急)降下法(SGD)を指定
# learning_rate(デフォルト値：0.01)に学習率ηを指定
# momentum=0.0、nesterov=Falseを指定することで、勾配(最急)降下法になる
# 評価関数(metrics)に正解率(accuracy)を指定
# 
sgd = SGD(learning_rate=0.1, momentum=0.0, decay=0.0, nesterov=False)
model.compile(loss='mse', optimizer=sgd, metrics=['accuracy'])

# 入力データ、正解データを読み込む
input_data_x = np.array([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
input_data_x3 = np.array([[0], [1], [1], [0]])

# 読み込んだデータを用いて、モデルの学習を行う
# 繰り返し回数はepochsで指定
model.fit(input_data_x, input_data_x3, epochs=10000)

# 学習済モデルを用いた検証を行う
input_data = np.array([[0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]])
print("*** 入力データ ***")
print(input_data)
print("*** 出力結果 ***")
results = model.predict(input_data)
print(results)

なお、確率的勾配(最急)降下法(SGD)のクラスは、以下のサイトを参考にして設定している。