人工ニューラルネットワークとは
人工ニューラルネットワークは、人間の脳の神経細胞（ニューロン）の構造と情報処理の仕組みを模倣して設計された、情報処理モデルのことであり、入力されたデータから特徴量を自動的に抽出し、それらの複雑な関係性を学習することで、分類、回帰、予測などのタスクを実行するための、ディープラーニングを含む現代の機械学習技術の基礎となる演算構造のことです。
人工ニューラルネットワークの概要と構成要素
人工ニューラルネットワーク（Artificial Neural Network, ANN）は、主にノード（ニューロン）と、それらを結びつけるエッジ（結合）から構成される計算モデルです。この構造により、大量のデータから非線形なパターンを学習する能力を持ちます。
1. ニューロン（ノード）の機能
ANNの基本単位はニューロン（またはユニット）です。これは、複数の入力を受け取り、処理を行い、一つの出力を生成する機能を持っています。
各ニューロンは以下の要素で構成されます。
- 入力: 他のニューロンの出力、または外部からのデータ。
- 重み（Weight $w$）: 各入力に乗算される係数。この重みが、入力の重要度を決定し、学習を通じて調整されるパラメータとなります。
- バイアス（Bias $b$）: 重み付き和に加えられる定数項。
- 総和（Summation）: すべての入力とその重みを乗算した値の合計。
- 活性化関数（Activation Function $f$）: 総和を非線形な出力に変換する関数。この非線形性が、ネットワークが複雑な関係性を学習する能力を決定づけます。
2. 層（Layer）の構造
ニューラルネットワークは、ニューロンが複数の層に組織化されて構成されます。
- 入力層（Input Layer）: 外部データを受け取る最初の層。
- 隠れ層（Hidden Layer）: 入力と出力の間にある層。データの抽象的な特徴抽出を担当します。深い学習（ディープラーニング）は、この隠れ層を複数持つネットワークを指します。
- 出力層（Output Layer）: ネットワークの最終的な予測結果を出力する層。
学習プロセス（順伝播と誤差逆伝播）
ANNの学習は、主に順伝播と誤差逆伝播（バックプロパゲーション）の二つのフェーズを反復することで行われます。
1. 順伝播（Feedforward）
データが入力層から隠れ層を経て出力層へと一方向に流れるプロセスです。
- 入力データ $x$ が入力層に与えられます。
- 各ニューロンで、入力と重みの積の総和が計算され、活性化関数を通じた出力が生成されます。
- この出力が次の層への入力となり、最終的に出力層で予測結果 $\hat{y}$ が得られます。
2. 誤差逆伝播（Backpropagation）
順伝播で得られた予測結果と正解データ $y$ との間の誤差（損失 $L$）を計算し、その誤差をネットワークの出力側から入力側に向かって逆向きに伝えていくプロセスです。
- 損失計算: 予測 $\hat{y}$ と正解 $y$ の差を損失関数（例：二乗誤差）で定量化します。
- 勾配計算: 損失 $L$ を各層の重み $w$ で偏微分した勾配を連鎖律（Chain Rule）を用いて効率的に計算します。
- 重み更新: 勾配（傾き）に基づいて、勾配降下法を用いて重みを調整し、損失が小さくなる方向へパラメータを更新します。
ここで $\eta$ は学習率です。
この反復的なプロセスにより、ネットワークの重みが最適化され、訓練データに適合するようになります。
ニューラルネットワークの種類
ANNの構造は、解決すべきタスクに応じて様々な形態に進化しています。
- パーセプトロン: 隠れ層を持たない最もシンプルなANN。
- 多層パーセプトロン（MLP）: 複数の隠れ層を持つ基本的なディープラーニング構造。
- 畳み込みニューラルネットワーク（CNN）: 主に画像処理において、局所的な特徴抽出に特化した構造を持つANN。
- リカレントニューラルネットワーク（RNN）: 過去の情報を記憶し、時系列データ（音声、テキストなど）の処理に特化した構造を持つANN。
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