[AI数理]対数関数の微分法・前編

[AI数理]対数関数の微分法・前編

おはようございます!(株) Qualiteg 研究部です。

本日から2回にわたって対数関数について学んでいきましょう。
正確にいうと、対数関数の微分法を学びます。

対数関数って何だっけ?

まず、対数関数というのは、「ある数 \( x \) が別の数 \( b \) を何回かけると \( x \) になるか」を調べる方法です。例えば、\( b \) が 2 で \( x \) が 8 の場合、2 を 3 回かけると 8 になります。この場合、数学的には「\( b \) の \( x \) に対する対数」と言います。

これを数式で表すと、次のようになります:

$$
\log_b(x) = y
$$

ここで \( b \) は底(てい)、\( x \) は真数、\( y \) は \( b \) を何回かけたら \( x \) になるかを表す数です。例えば、\( b = 2 \) と \( x = 8 \) の場合、\( y = 3 \) となります。なぜなら、2 を 3 回かけると 8 になるからです。

$$
\log_2(8) = 3
$$

対数関数は「逆」の関数と考えることもできます。つまり、乗算(かけ算)の逆が除算(わり算)であるように、累乗(たとえば 2 の 3 乗は 8)の逆が対数関数です。

なぜ対数関数は重要か?

まず、「なぜ、対数関数を学ぶ必要があるか」を説明します。

対数関数は、機械学習の分類問題での代表的な損失関数である 交差エントロピー関数の式に登場します。

多値分類用の交差エントロピー関数

$$
\ - \frac{1}{N} \sum_{i}^{N} \sum_{k}^{K} t_{ik} \log y_{ik} \tag{1}
$$

二値分類用の交差エントロピー関数

$$
\ - \frac{1}{N} \sum_{i}^{N} \lbrack t_{i} \log y_{i} + (1- t_{i}) \log (1- y_{i}) \rbrack \tag{2}
$$

ニューラルネットワークの学習では損失関数を最小化するように学習していきますが、損失関数が小さくなる方向(勾配)を求めるため損失関数の微分を求めます。

このように交差エントロピー関数は対数関数を含む関数となっているため、対数関数の微分が必要になります。

本シリーズは、 対数関数の微分法 をマスターすることが目的です。対数関数の微分を理解するために、まず対数関数の基礎をマスターし、それを使って対数関数の微分を学習していきます。

1. 対数関数 \(log\) とは

さて、再度、こんどは数式ベースで対数関数について説明いたしますね。

$$
y = \log_a x
$$

\(a\) を何乗すると \(x\) になるか を求めるのが 対数「 \(\log\) 」です。これを \(a\) を底とする対数関数といいます。

\(y=\log_a x\) のとき \(a^{y} = x\) となります。

また \(y=\log_a x\) は \(y=a^{x}\) の逆関数となります。

\(y=\log_2 x\) で \(x=8\) とすると、 \(y=\log_2 8\) ・・・ \(2\) を何乗すると \(8\) になるかを求めることになるので、答えは \(y=3\) となります。

いかがでしたでしょうか。

思い出してみると(または、今学んでみた感想として)案外とっつきやすやすくないでしょうか。

それでは、また次回お会いしましょう!


navigation

Read more

【AI×CAD 第5回】CADだけでは伝わらない「なぜ」を残す。設計知の伝承をローカルLLMで始めるための考え方

【AI×CAD 第5回】CADだけでは伝わらない「なぜ」を残す。設計知の伝承をローカルLLMで始めるための考え方

CADには最終的に「何を作ったか」は残るのに、その形にした「なぜ」は形状だけからは分かりません。幾何の事実から問いを立てて設計者に答えてもらい、形状と判断理由を一緒に残す。変更前後の比較も使いながら、設計知の伝承とローカルLLMの活用を業務から考えます。

By Qualiteg コンサルティング
ゼロから作るコーディングエージェント【第1回】「最後までやりきる」が難しい理由と、ターンを回す係と止める係を分ける設計

ゼロから作るコーディングエージェント【第1回】「最後までやりきる」が難しい理由と、ターンを回す係と止める係を分ける設計

コーディングエージェントを自作すると、いちばん難しいのはループを回すことではなく「いつ止めるか」を決めることでした。あるランでは、300ターン中234ターンでツールが1度も呼ばれていませんでした。この数字を出発点に、ターンを回す係と止めてよいか決める係を分け、押し戻しの送り方を直すまでを書きます。

By Qualiteg プロダクト開発部