要点まとめ・第3章 機械学習の概要
教師あり学習(シラバス 技術7)
キーワード20語 練習問題19問 最終確認日 2026年10月30日
作成:ウカトレ編集部(AIで作成し、別のAIが一次資料と照合)人による確認:未
1行の定義と◯×チェックは用語『教師あり学習』の解説にあります。
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学習目標
特徴量と正解の組から学ぶ教師あり学習の仕組みを理解し、問題の種類と代表的なモデルの考え方を説明したうえで、目的やデータに合ったモデルを選べるようにします。
要点
教師あり学習とは
入力の特徴量と、それに対応する正解(教師データ)の組を大量に与え、入力から正解を予測する関係を学ぶ方法です。学習後のモデルは、正解がわからない新しいデータに対して予測を出します。
問題の種類
- 回帰問題:来月の売上や明日の気温のように、連続した数値を予測します。
- 分類問題:メールが迷惑メールかどうかのように、決めておいたカテゴリのどれに当たるかを予測します。3つ以上のカテゴリから選ぶものを多クラス分類と呼びます。
線形のモデル
線形回帰は、特徴量に重みを掛けて足し合わせた値で数値を予測します。説明変数が1つなら単回帰分析、2つ以上なら重回帰分析です。ロジスティック回帰は、その重み付きの和をシグモイド関数に通して0から1の確率に変えます。名前は「回帰」ですが、分類に使う手法です。
サポートベクターマシン(SVM)
クラスを分ける境界を、境界に最も近いデータ点との距離(マージン)が最大になるように決めます。これをマージン最大化と呼びます。直線で分けられないデータも、高次元の空間に移すと分けられることがあります。ただし、変換を実際に計算すると重くなります。そこで、変換後の内積をカーネルと呼ばれる関数で直接求め、変換そのものは計算しない工夫がカーネルトリックです。
決定木とアンサンブル学習
決定木は、「購入回数が3回以上か」のような条件でデータを順に分けて予測します。判断の筋道を読み取りやすい一方、学習データに合わせ込みすぎる傾向があります。そこで、複数のモデルを組み合わせて精度を高めるアンサンブル学習が使われます。
- バギング:学習データから重複を許して無作為に取り出し(ブートストラップサンプリング)、複数のデータセットを作ります。それぞれで学習したモデルの予測を、平均や多数決でまとめます。各モデルは独立なので並列に学習できます。
- ランダムフォレスト:バギングに決定木を使い、分岐ごとに使う特徴量もランダムに絞ります。木どうしが似すぎず、予測が安定します。
- ブースティング:モデルを1つずつ順番に作り、前のモデルが誤ったデータを重視して次を学習させます。順番に学ぶため、並列化はしにくくなります。
- 勾配ブースティング:それまでの予測と正解とのずれを、損失関数の勾配をもとに次のモデルで埋めていくブースティングです。
時系列の予測
自己回帰モデル(ARモデル)は、ある時点の値を同じ系列の過去の値から予測します。ベクトル自己回帰モデル(VARモデル)はこれを複数の系列に広げたもので、売上と広告費のように互いに影響し合う系列をまとめて扱います。
モデルの選び方
判断の理由を説明しやすいことを重視するなら、線形回帰やロジスティック回帰、決定木が候補になります。表形式のデータで精度を重視する場面では、ランダムフォレストや勾配ブースティングがよく使われます。データ数に比べて特徴量が多い場合は、SVMも候補になります。
つまずきやすい点
- ロジスティック回帰は名前に「回帰」と付くが、確率を出力して分類に使う手法である点
- バギングは独立に学習したモデルの平均や多数決をとり、ブースティングは前のモデルの誤りを補うように順番に学習する、という違い
- カーネルトリックは高次元への変換を実際には計算せず、変換後の内積だけを効率よく求める工夫である点
- ARモデルは1つの時系列をその系列自身の過去の値で、VARモデルは複数の時系列を自身とほかの系列の過去の値で予測する点
シラバスのキーワード
シラバス第1.4版に載っている語をすべて並べています。色のついた語は用語集で解説しています。「2問」などの数字は、その語を扱う練習問題の数です。
- アンサンブル学習 練習問題3問
- カーネル 練習問題2問
- カーネルトリック 練習問題1問
- 回帰問題 練習問題8問
- 決定木 練習問題6問
- 勾配ブースティング 練習問題2問
- サポートベクターマシン(SVM) 練習問題3問
- 線形回帰 練習問題4問
- 自己回帰モデル(ARモデル) 練習問題2問
- 単回帰分析 練習問題3問
- 重回帰分析 練習問題4問
- 多クラス分類 練習問題2問
- バギング 練習問題4問
- ブースティング 練習問題3問
- ブートストラップサンプリング 練習問題3問
- 分類問題 練習問題6問
- ベクトル自己回帰モデル(VARモデル) 練習問題1問
- マージン最大化 練習問題3問
- ランダムフォレスト 練習問題3問
- ロジスティック回帰 練習問題5問
練習問題
- #0019 回帰問題と分類問題の区別 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0020 バギングとブースティング 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0021 SVMのマージンとカーネル 難易度 基礎・組合せ 未回答 付箋
- #0022 複数時系列の予測モデル 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0142 決定木の分割基準と性質 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0143 線形回帰とロジスティック回帰 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0144 重回帰分析の多重共線性 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0145 多クラス分類の実現方法 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0146 ランダムフォレストの木の本数とOOB 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0147 SVMの過学習とハイパーパラメータ 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0148 ARモデルによる2期先の予測 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0325 勾配ブースティングの予測値の更新 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0326 重回帰の偏回帰係数の解釈 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0327 回帰木による予測の外挿 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0328 アンサンブルとバイアス・バリアンス 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0329 ブートストラップ標本の作り方 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0330 SVMとロジスティック回帰の違い 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0331 ロジスティック回帰の係数とオッズ 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0332 多項式の項を含む線形回帰 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
復習の時期が来た問題と、まだ解いていない問題から順に出題します。
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出典
- G検定 試験出題範囲(シラバス2024)第1.4版 (技術分野 項目7 教師あり学習)
- Corinna Cortes, Vladimir Vapnik, Support-Vector Networks, Machine Learning 20(3), 273–297 (1995)
- Leo Breiman, Bagging Predictors, Machine Learning 24(2), 123–140 (1996)
- Leo Breiman, Random Forests, Machine Learning 45(1), 5–32 (2001)
- Jerome H. Friedman, Greedy Function Approximation: A Gradient Boosting Machine, The Annals of Statistics 29(5), 1189–1232 (2001)
- Christopher A. Sims, Macroeconomics and Reality, Econometrica 48(1) (1980)
- scikit-learn User Guide, Ensembles: Gradient boosting, random forests, bagging, voting, stacking