BPTTとは
BPTTは、リカレントニューラルネットワーク（RNN）やその派生モデルを訓練する際に使用される、誤差逆伝播法の応用アルゴリズムのことであり、時間的な依存関係を持つシーケンスデータ（時系列データや自然言語）の予測誤差を、過去のタイムステップに遡って伝播させ、モデルの重みを更新するための訓練手法のことです。
BPTTの概要とRNNにおける役割
BPTT（Backpropagation Through Time、時間を通じた誤差逆伝播）は、通常のフィードフォワード型ニューラルネットワークの訓練に用いられる誤差逆伝播法（Backpropagation）の基本的な原則を、時間軸方向に展開されたRNNの構造に適用したものです。
リカレントニューラルネットワーク（RNN）は、その名の通り、内部に再帰的な接続（Recurrent Connection）を持ち、前のタイムステップの出力（または隠れ状態）を次のタイムステップの入力として使用することで、時系列的な文脈や長期的な依存関係をモデル化できます。
RNNの訓練では、ある時刻 $t$ での出力 $y_t$ と正解データ $L_t$ の間の誤差 $E_t$ を計算した後、この誤差をネットワークの重みを更新するために利用しますが、RNNの重みは全てのタイムステップで共有されています。
BPTTは、この共有された重みを効果的に更新するために、以下のような手順を取ります。
- 時間軸の展開: RNNを、シーケンスの長さと同じ数だけ、独立した層が時間軸に沿って連なった巨大なフィードフォワードネットワークと見なします。
- 順伝播: シーケンスの最初のタイムステップ $t=1$ から最後のタイムステップ $T$ まで、入力を順に処理し、各タイムステップでの出力と誤差を計算します。
- 逆伝播: 最後のタイムステップ $T$ で計算された誤差から始まり、その誤差を、通常の誤差逆伝播法と同様に、時間軸を逆行して過去のタイムステップ $t=T-1, T-2, \dots, 1$ へと伝播させます。
主な目的は、時間的な文脈を捉えるRNNの共有重みを、シーケンス全体の誤差情報に基づいて最適に調整することです。
BPTTの技術的課題
BPTTはRNNの訓練において不可欠ですが、シーケンスの長さが増大するにつれて、以下の二つの主要な技術的課題に直面します。
1. 勾配の消失（Vanishing Gradient）
- 現象: 誤差を過去のタイムステップに逆伝播させる際、活性化関数の微分値が乗算されていきます。この微分値が小さい場合（例：シグモイド関数やtanh関数が飽和領域にある場合）、乗算を繰り返すうちに勾配の値が指数関数的に小さくなり、最終的に勾配がゼロに近づいてしまいます。
- 結果: 遠い過去の入力やイベントが現在の出力に与える影響が適切に学習されず、モデルが長期的な依存関係（Long-term Dependencies）を捉える能力を失います。
2. 勾配の爆発（Exploding Gradient）
- 現象: 逆説的に、活性化関数の微分値や重み行列のノルムが非常に大きい場合、乗算を繰り返すうちに勾配が指数関数的に大きくなり、数値的にオーバーフローを起こしたり、重みの更新が不安定になったりします。
- 結果: モデルの学習が発散し、無意味なパラメータが設定されてしまいます。
3. 解決策
これらの課題に対処するため、より洗練されたRNNの派生モデルが開発されました。
- LSTM（Long Short-Term Memory）やGRU（Gated Recurrent Unit）: ゲート機構と呼ばれる内部構造を導入し、勾配のフローを制御することで、勾配の消失問題を大幅に緩和しました。
- 勾配クリッピング（Gradient Clipping）: 勾配の爆発問題に対処するため、逆伝播中に計算された勾配のノルムが特定の閾値を超えた場合に、強制的にその勾配の値を小さく制限する手法が一般的に適用されます。
BPTTは、これらの派生モデルの訓練においても、基本的な誤差逆伝播の枠組みとして引き続き利用されています。
関連用語
お問い合わせ
システム開発・アプリ開発に関するご相談がございましたら、APPSWINGBYまでお気軽にご連絡ください。
APPSWINGBYの
ソリューション
APPSWINGBYのセキュリティサービスについて、詳しくは以下のメニューからお進みください。
システム開発
既存事業のDXによる新規開発、既存業務システムの引継ぎ・機能追加、表計算ソフトによる管理からの卒業等々、様々なWebシステムの開発を行っています。
iOS/Androidアプリ開発
既存事業のDXによるアプリの新規開発から既存アプリの改修・機能追加まで様々なアプリ開発における様々な課題・問題を解決しています。
リファクタリング
他のベンダーが開発したウェブサービスやアプリの不具合改修やソースコードの最適化、また、クラウド移行によってランニングコストが大幅にあがってしまったシステムのリアーキテクチャなどの行っています。
ご相談・お問い合わせはこちら
APPSWINGBYのミッションは、アプリでビジネスを加速し、
お客様とともにビジネスの成功と未来を形作ること。
私達は、ITテクノロジーを活用し、様々なサービスを提供することで、
より良い社会創りに貢献していきます。
T関する疑問等、小さなことでも遠慮なくお問合せください。３営業日以内にご返答致します。
ご相談・お問合せはこちら
APPSWINGBYのミッションは、アプリでビジネスを加速し、お客様とともにビジネスの成功と未来を形作ること。
私達は、ITテクノロジーを活用し、様々なサービスを提供することで、より良い社会創りに貢献していきます。
IT関する疑問等、小さなことでも遠慮なくお問合せください。３営業日以内にご返答させて頂きます。
