AI用語集・ディープラーニングの概要

KL情報量とは

ケーエルじょうほうりょうKullback–Leibler divergence略語 KL

別名:カルバック・ライブラー情報量、KLダイバージェンス、相対エントロピー

  • シラバス 技術13
  • ◯×チェック3問
  • 練習問題5問

最終更新日: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:未出典

1行定義

KL情報量とは、ある確率分布を基準にしたとき、別の確率分布がどれだけ異なるかを表す、0以上の値をとる量のことです。

くわしく

KL情報量(カルバック・ライブラー情報量)は、2つの確率分布がどれだけ違うかを1つの数値で表す量です。KLダイバージェンスとも呼ばれます。1951年にカルバックとライブラーが論文で示しました。

式と意味

基準となる分布をP、比べる分布をQとすると、KL(P || Q) = Σ P(x) log(P(x) / Q(x))です。P(x)とQ(x)の比の対数を、Pの確率で重み付けして平均したものです。

たとえば、あるサイコロの実際の出目の分布をP、「どの目も6分の1」という分布をQとします。サイコロに偏りがなければPとQは一致し、KL情報量は0です。偏りが大きいほど、値は大きくなります。

主な性質

  • 常に0以上で、2つの分布が一致するときだけ0になります。
  • PとQを入れ替えると、一般に値が変わります(非対称)。そのため、数学でいう「距離」の条件を満たしません。「違いの大きさ」の目安として使います。
  • 交差エントロピーH(P, Q)とは、H(P, Q) = H(P) + KL(P || Q)の関係にあります。H(P)はP自身のエントロピーです。Pが固定なら、交差エントロピーの最小化とKL情報量の最小化は同じ意味になります。

ディープラーニングでの使われ方

VAEでは、エンコーダが出す潜在変数の分布を、標準正規分布に近づけるための項として、KL情報量を誤差関数に加えます。

大規模言語モデルを人間のフィードバックで調整するRLHFでも使われます。調整中のモデルの出力が元のモデルから離れすぎないように、両者のKL情報量で罰則をかけます。

覚え方

「Pから見たQのずれ。向きを変えると値も変わる」と覚えます。

G検定での出題

出題のされ方

2つの確率分布の違いを測る量であること、0以上で分布が一致するときに0となる性質、入れ替えると値が変わる非対称性、交差エントロピーとの関係、VAEでの使われ方が問われます。

シラバスでは「カルバック・ライブラー情報量(KL)」と表記されています。

混同しやすい用語

用語意味
KL情報量このページの用語ある確率分布を基準にしたとき、別の確率分布がどれだけ異なるかを表す、0以上の値をとる量
交差エントロピーモデルが予測した確率分布が正解の分布とどれだけ合っていないかを表す値で、分類問題の誤差関数として広く使われるもの

◯×チェック

3問

次の文が正しいか、誤りかを選んでください。

  1. KL情報量は、比べる2つの確率分布が完全に一致するとき0になる。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    P(x) = Q(x)ならlog 1 = 0となり、すべての項が0になります。分布が異なると正の値になります。

  2. KL情報量は負の値をとることがあり、値が小さい(負に大きい)ほど2つの分布はよく似ている。

    答えを見る

    答え × 誤り

    KL情報量は常に0以上です(ギブスの不等式)。最小値の0をとるのは、2つの分布が一致するときです。

  3. VAEでは、潜在変数の分布を標準正規分布などの事前分布に近づけるため、KL情報量を誤差関数の一部に加える。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    再構成の誤差とKL情報量の和を小さくするように学習します。KLの項は、潜在空間を整える正則化の役割をもちます。

この用語の練習問題

5問
  1. #0038交差エントロピーとKL情報量難易度 標準・単一選択未回答
  2. #0357KL情報量による分布の監視難易度 標準・単一選択未回答
  3. #0198VAE派生手法の改良点難易度 標準・組合せ未回答

ほかに2問あります。続けて解くと、すべての問題を順に出題します。

出典

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 最終確認日: 対応シラバス:シラバス第1.4版 技術13

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