AI用語集・AIに必要な数理・統計知識

最小二乗法とは

さいしょうにじょうほうleast squares method

別名:最小自乗法

  • シラバス 技術37
  • ◯×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

最小二乗法とは、実測値とモデルによる予測値の差(残差)の2乗の和が最も小さくなるように、モデルのパラメータを決める方法のことです。

くわしく

最小二乗法は、データに最もよく当てはまるモデルのパラメータを求める方法です。19世紀の初めに、ルジャンドル(1805年)とガウス(1809年)が、天体の軌道の計算に関連して発表しました。

考え方

点の集まりに直線y = ax + bを引く場面を考えます。各点の実測値と、直線上の予測値との差を残差といいます。最小二乗法では、残差を2乗して足し合わせた値(残差平方和)が最も小さくなるように、aとbを決めます。

2乗するのは、プラスとマイナスの残差が打ち消し合わないようにするためです。また、2乗の和は滑らかな関数なので、微分して0になる条件から、解を式で求められます。単回帰では、傾きは「xとyの偏差の積の和 ÷ xの偏差の2乗の和」になり、直線は必ずデータの平均の点を通ります。

機械学習との関係

  • 線形回帰:単回帰でも重回帰でも、係数は最小二乗法で求めるのが基本です。
  • 平均二乗誤差(MSE):残差平方和をデータの個数で割ったものです。MSEを最小にすることは、最小二乗法と同じ考え方です。
  • 最尤法:誤差が互いに独立で、平均0・同じ分散の正規分布に従うと仮定すると、最尤法の答えは最小二乗法と一致します。

弱点

残差を2乗するため、大きく外れた値(外れ値)の影響を強く受けます。外れ値が1つあるだけで、直線が大きく引きずられることがあります。また、重回帰で説明変数どうしの相関が強いと(多重共線性)、係数が不安定になります。これを抑えるのが、係数の大きさに罰則を加えるリッジ回帰やラッソ回帰です。

覚え方

「はみ出しの2乗を、合計で一番小さく」と覚えます。

G検定での出題

出題のされ方

残差の2乗の和を最小にするという定義、線形回帰の係数の推定での使われ方、外れ値の影響を受けやすい性質、誤差が正規分布に従う場合に最尤法と一致する関係が問われます。

混同しやすい用語

用語意味
最小二乗法このページの用語実測値とモデルによる予測値の差(残差)の2乗の和が最も小さくなるように、モデルのパラメータを決める方法
最尤法手元のデータが得られる確率(尤度)が最も大きくなるように、確率モデルのパラメータを決める推定方法

◯×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. 最小二乗法で残差をそのまま足し合わせずに2乗するのは、正の残差と負の残差が打ち消し合わないようにするためである。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    そのまま足すと、大きく外れた点があっても合計が0に近くなることがあります。2乗すると符号が消え、微分もしやすくなります。

  2. 最小二乗法は残差を2乗して扱うため、大きく外れた値(外れ値)があっても、推定結果はほとんど影響を受けない。

    答えを見る

    答え × 誤り

    2乗するため、大きな残差ほど強く効きます。外れ値に引きずられやすいので、外れ値を確認するか、外れ値に強い別の方法を検討します。

  3. 3つの点(1, 1)、(2, 3)、(3, 2)に直線y = ax + bを最小二乗法で当てはめると、a = 0.5、b = 1となる。

    答えを見る

    答え ◯ 正しい

    傾きは、xとyの偏差の積の和1を、xの偏差の2乗の和2で割って0.5です。直線は平均の点(2, 2)を通るので、b = 2 − 0.5 × 2 = 1です。

この用語の練習問題

5問
  1. #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
  2. #0338主成分分析と回帰直線の違い難易度 応用・単一選択未回答
  3. #0358リッジ回帰の偏りとばらつき難易度 標準・単一選択未回答

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37

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