Inspection of CloudML Hyper Parameter Tuning
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Inspection of CloudML Hyper Parameter Tuning
- 1. Inspection of Cloud Machine Leaning Hyper Parameter Tuning nagachika GCPUG Fukuoka
- 2. Agenda • Hyper Parameter Tuning とは? • Hyper Parameter Tuning の性能を実験 • Hyper Parameter Tuning の探索⽅法を推測
- 3. About me • nagachika • Ruby committer, Stable branch maintainer • Fukuoka.rb organizer • GCPUG • TFUG (TensorFlow User Group) • TensorFlow contributor ← NEW
- 4. Pull Requests to TensorFlow
- 6. Cloud Machine Leaning • Training • TensorFlow が(分散環境、GPU環境含め) ⽤意されている実⾏環境のホスティングサービス • TensorFlow 専⽤のPaaS(Heroku) • Prediction • TensorFlow Serving のホスティングサービス • API で Training したモデルを利⽤できる
- 8. Hyper Parameter Tuning • Hyper Parameter とは? • モデル(SVM, Random Forest, MLP, CNN 等々なんであれ)の学習に 先⽴って決定しないといけないパラメータ • モデルの精度に影響する • より良い Hyper Parameter の探索が望ましい
- 9. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input Output
- 10. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Dog or Cat
- 11. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input Output トレーニング可能な パラメータ トレーニング不可な パラメータ 期待する Output が得られるように トレーニング可能なパラメータを 変更するのが (教師あり)機械学習における 「学習」
- 12. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input Output トレーニング可能な パラメータ トレーニング不可な パラメータ Expectation Error 期待(Expectation)と実際の Outputの差を定量化したもの (Error)を最⼩にする。 勾配を⽤いた⼿法が主流
- 13. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input Output トレーニング可能な パラメータ トレーニング不可な パラメータ Expectation Error
- 14. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input (Hyper Parameter) Output (Error) Hyper Parameter を⼊⼒として 誤差(Error)を出⼒とする関数とみなすこともできる ↓ Output(Error)を最⼩にする Input(Hyper Parameter)を 探索する最適化問題
- 15. Hyper Parameter Tuning • Machine Learning Model Input (Hyper Parameter) Output (Error) ただし、⼀般的に • 勾配はわからない(そもそもInputが距離の概念がある空間と限らない) • F(x) の評価には時間がかかる
- 16. Hyper Parameter Tuning • Derivative-free optimization (勾配によらない最適化⼿法) • Simulated Annealing(焼きなまし法) • Genetic Algorithm(遺伝的アルゴリズム) → ⼤量の試⾏が必要で実⾏コストが⼤きい
- 17. Hyper Parameter Tuning • Scikit learn • Grid Search(グリッドサーチ) • パラメータ毎に有限の候補の組み合わせ試⾏ • Random Search(ランダム探索) → シンプルだけどいまいち賢くない
- 18. Hyper Parameter Tuning Cloud Machine Learning の Hyper Parameter Tuning は どんな⽅法で探索を しているのだろうか?
- 19. Motivation
- 20. Motivation • 多層ニューラルネットワーク • 層の数 • (各層の)ユニット(ニューロン)の数 • etc… Layer-1 Layer-2
- 21. Motivation • 層の数 • (各層の)ユニット(ニューロン)の数 ➡ 1つのパラメータで表現したいな ➡ 極度に多峰的な関数になりそう…
- 22. Motivation • 多峰性関数→最適化が困難な性質 ➡ Cloud Machine Learning はこんな関数に対して どのくらい賢く最適化してくれるんだろう? 単峰性関数 多峰性関数
- 23. 実験1
- 24. 実験1 • Cloud Machine Learning に Hyper Parameter Tuning で 既知の関数の最適化をさせる • F(x) を明⽰的に式として与える • Hyper Parameter を受け取って F(x) を計算し て報告するだけの Python モジュールを作成
- 25. 実験1 • Hyper Parameter • 1変数(x), 2変数(x, y) • 範囲は全て [-1, 1] • 最⼩値を求める • 探索回数(N)は • 1変数 → N=10 or 15 • 2変数 → N=30
- 26. 実験1 N=10
- 27. 実験1 N=10
- 28. 実験1 N=10
- 29. 実験1 N=15
- 30. 実験1 N=15
- 31. 実験1
- 32. 実験1 N=30
- 33. 実験1 Ackley 関数
- 35. 実験1 • あきらかに Grid Search ではない • 低次元の多項式(?)くらいだとかなり賢い (少ない試⾏回数で最適値の近くを当てる) • 難しい形状の関数もそれなりに (⼤域探索している? 局所解に落ちたりはなさそう) ➡ どうやってるんだろう???
- 38. Bayesian Optimization https://www.youtube.com/watch?v=pQHWew4YYao ベイズ的最適化の⼊⾨と応⽤ 機械学習による機械学習の実験計画
- 39. Bayesian Optimization おおざっぱな理解では • 既に得た⼊⼒の結果を元に推測しつつ • まだ調べてないあたりも調べるようにしつつ いい感じに探索するために、 最適化したい関数の形状を(各⼊⼒に対する) 確率分布として捉える。
- 41. Bayesian Optimization • 関数を確率分布として捉える? • x をある値に固定した時にF(x)が取る値を確率分布 • 既知の⼊⼒ x = x1, x2, … を元に計算する
- 42. Bayesian Optimization • Acquisition function • 次にテストすべき点を決めるための 「重要度」みたいなのを決める関数 • GP-UCB 平均 分散 = 活⽤ = 探索
- 43. 実験2
- 44. 実験2 • 実験1と同じF(x)に対して Bayesian Optimization • 最初の3点は実験1の(Cloud MLの)結果を流⽤ (Bayesian Optimization は初期何点かはランダム探索) • PythonのBayesianOptimizationパッケージを利⽤ [https://github.com/fmfn/BayesianOptimization] • Acquisition function には GP-UCB, kappa=0.5 を選択
- 45. 実験2 N=10 Cloud Machine Learning Hyper Parameter Tuning BayesianOptimization
- 46. 実験2 N=10 Cloud Machine Learning Hyper Parameter Tuning BayesianOptimization
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- 48. 実験2 N=15 Cloud Machine Learning Hyper Parameter Tuning BayesianOptimization
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- 50. 実験2
- 51. 実験2 N=30 Cloud Machine Learning Hyper Parameter Tuning BayesianOptimization
- 52. 実験2 Ackley 関数
- 53. 実験2 N=30 Cloud Machine Learning Hyper Parameter Tuning BayesianOptimization
- 54. 実験2 • Bayesian Optimization > Grid Search • Cloud Machine Learning の Hyper Parameter Tuning と似ているといえなくもない? • Bayesian Optimization⾃体にも Hyper Parameterがある(acquisition function の選択, そのパラメータ etc..)
- 55. Summary • Cloud Machine Learning のHyper Parameter Tuning はかしこくて便利 • Hyper Parameter に対して複雑な関数になる時は 多めに試⾏回数を取ろう • Hyper Parameter Tuning の裏側は Bayesian Optimization? • ｵﾚｵﾚ Cloud Machine Learning の構築も夢では ない!?