[AI数理]徹底的に交差エントロピー(7)

[AI数理]徹底的に交差エントロピー(7)

おはようございます!(株) Qualiteg 研究部です。

今回は、交差エントロピーの計算をベクトルや行列で表現する方法について説明します!

8章 交差エントロピーとベクトル演算

そもそも、なぜ、交差エントロピーをベクトルや行列で表現したいのでしょうか?

それは、実際にニューラルネットワークをコンピュータープログラムとして実装するときに、訓練データや予測値はベクトル(1次元配列)や行列(2次元配列)といったN階テンソル(N次元配列)の形式で取り扱われるからです。

なぜベクトルや行列かといえば、ニューラルネットワークの実用的な計算をするときにはデータを1件とりだしては、1件計算する のではなく、多くのデータをベクトル(1次元配列)や行列(2次元配列)やそれ以上の多次元配列に詰めたのちに、まとめてドカっと計算するからです。

(まとめてドカっと計算するのが得意な GPU があるからこそ、これだけ Deep Learning が進展した、ともいえます)

そこで、今までで導出してきた交差エントロピーの計算をコンピュータで実装するときに備えて、 1次元配列 にしてみます。

プログラムコード上は単なる1次元配列ですが、これを配列の各値を成分にもつ ベクトル と見立てることにします。

正解ラベル \(t_{k}\) を要素に含む ベクトルを \(\boldsymbol{t}\) とすると、以下のような成分を含むベクトルになります。

$$
\boldsymbol{t} =
\begin{pmatrix}
t_{1} & t_{2} & t_{3}
\end{pmatrix}
$$

この場合、横に成分(=数字)をならべているので、 行ベクトル(または 横ベクトル) と呼びます。

予測値 \(y_{k}\) も同様に \(\boldsymbol{y}\) として 行ベクトル にあらわすと

$$
\boldsymbol{y} =
\begin{pmatrix}
y_{1} & y_{2} & y_{3}
\end{pmatrix}
$$

となります。

さらに、交差エントロピーの計算の際、 \(\boldsymbol{y}\) の成分は 対数 \(\log\) をとることになるので、 \(\boldsymbol{y}\) の成分に \(\log\) をとったものを \(\boldsymbol{y_{l}}\) と定義すると、以下のようになります。

$$
\boldsymbol{y_{l}} =
\begin{pmatrix}
\log y_{1} & \log y_{2} & \log y_{3}
\end{pmatrix}
$$

ここで 交差エントロピー \(E\) を思い出してみます。

$$
\begin{aligned}
\ E = &- \sum_{k=1}^{K} t_{k} \log y_{k} &\
&= - ( t_{1} \log y_{1} + t_{2} \log y_{2} + t_{3} \log y_{3}) & \
\end{aligned}
$$

この式にあらわれる \(( t_{1} \log y_{1} + t_{2} \log y_{2} + t_{3} \log y_{3})\) をよく見てみましょう。これは、ベクトル \(\boldsymbol{t}\) と ベクトル \(\boldsymbol{y_{l}}\) のドット積(内積)となっているのがわかります。

ドット積(内積)は同じ添え字の成分どうしの積の足し算です。

$$
\begin{aligned}
\ E = &- \boldsymbol{t} \cdot \boldsymbol{y_{l}}& \
&= - ( t_{1} \log y_{1} + t_{2} \log y_{2} + t_{3} \log y_{3}) & \
\end{aligned}
$$

1つ注意したい点は、ベクトルの場合は 成分どうしの積の足し算と定義すればよいですが、ベクトルではなく、行列(2次元配列)どうしのドット積を計算するときには、行列の形状を意識しなければいけません。

たとえば、縦横 \(2 \times 3\) の形状をもつ行列 $\begin{pmatrix}
1 & 2 & 3 \
4 & 5 & 6 \
\end{pmatrix}\( と 縦横 \)3 \times 2\( の形状をもつ行列 \)\begin{pmatrix}
7 & 8 \
9 & 10 \
11 & 12 \
\end{pmatrix}$ のドット積

$$
\begin{pmatrix}
1 & 2 & 3 \
4 & 5 & 6 \
\end{pmatrix}
\cdot
\begin{pmatrix}
7 & 8 \
9 & 10 \
11 & 12 \
\end{pmatrix}
$$

は、以下のように計算します。

左側の行列の1行目の横一列と、右側の行列の1列目の縦一列の成分どうしの積を足していきます。

次は左側の行列の2行目と、右側の行列の1列目の成分どうしの積を足す、、、以降同様に計算していきます。

このように順に計算していくと結果は以下のようになります。

$$
\begin{aligned}
\begin{pmatrix}
1 & 2 & 3 \
4 & 5 & 6 \
\end{pmatrix}
\cdot
\begin{pmatrix}
7 & 8 \
9 & 10 \
11 & 12 \
\end{pmatrix}=&
\begin{pmatrix}
1 \times 7 + 2 \times 9 + 3 \times 11 & 1 \times 8 + 2 \times 10 + 3 \times 12 \
4 \times 7 + 5 \times 9 + 6 \times 11 & 4 \times 8 + 5 \times 10 + 6 \times 12
\end{pmatrix}&\
=&
\begin{pmatrix}
58 & 64 \
139 & 154 \
\end{pmatrix}&
\end{aligned}
$$

この例からわかる通り縦横 \(2 \times 3\) の形状をもつ行列と 縦横 \(3 \times 2\) の形状をもつ の行列のドット積の結果は \(2 \times 2\) の行列となります。

つまり \(m \times n\) と \(n \times l\) のドット積の形状は \(m \times l\) となります。
またドット積を計算するには、左側の行列の行数と、右側の行列の列数が一致している必要があります。

さて、行列のドット積の計算の仕方を見たところで、さきほどのベクトル同士のドット積を再確認しましょう。

正解ラベルを示す行ベクトルを \(\boldsymbol{t}\) と、予測値に \(\log\) をとった行ベクトル \(\boldsymbol{y_{l}}\) はそれぞれ以下のとおりでしたが、

$$
\boldsymbol{t} =
\begin{pmatrix}
t_{1} & t_{2} & t_{3}
\end{pmatrix}
$$

$$
\boldsymbol{y_{l}} =
\begin{pmatrix}
\log y_{1} & \log y_{2} & \log y_{3}
\end{pmatrix}
$$

さきほどの行列のドット積ルールにしたがって計算しようとすると、横一列並んでいる形状をしている行ベクトル同士の計算はできないことがわかります。

つまり、

$$
\begin{pmatrix}
t_{1} & t_{2} & t_{3}
\end{pmatrix}
\cdot
\begin{pmatrix}
\log y_{1} & \log y_{2} & \log y_{3}
\end{pmatrix}
$$

はこのままでは計算できないということになります。
つまり、この2つの行ベクトルを行列とみなすと、どちらも形状が \(1 \times 3\) となっています。

ですので、ドット積ができる行列形状である \(m \times n\) と \(n \times l\) のカタチにするには、ベクトル \(\boldsymbol{y_{l}}\) を行ベクトル(横ベクトル)から列ベクトル(縦ベクトル)にすればよさそうです。

\(\boldsymbol{y_{l}}\) の成分の行と列を入れ替えた列ベクトル \(\boldsymbol{y_{l}^\mathsf{T} }\) は以下のようになります。

(\({\mathsf{T} }\) は転置を意味します。転置とはある行列の成分の列と縦を入れ)替えた行列です。

$$
\boldsymbol{y_{l}^\mathsf{T} } =
\begin{pmatrix}
\log y_{1} \ \log y_{2} \ \log y_{3}
\end{pmatrix}
$$

これで、ドット積の作法で計算することができるようになりました。

さきほどの、ドット積を使った交差エントロピーの計算式でみてみると、

$$
\begin{aligned}
\ E = &- \boldsymbol{t} \cdot \boldsymbol{y_{l}^\mathsf{T} }& \
&=-\begin{pmatrix}
t_{1} & t_{2} & t_{3}
\end{pmatrix}
\cdot
\begin{pmatrix}
\log y_{1} \ \log y_{2} \ \log y_{3}
\end{pmatrix}& \
&= - ( t_{1} \log y_{1} + t_{2} \log y_{2} + t_{3} \log y_{3}) & \
\end{aligned}
$$

これで、交差エントロピーを行列の計算として求めることができました。

(ちなみに、ベクトル同士のドット積は内積と同じなので計算結果はスカラー(数値)になります。)

今回はいかがでしたでしょうか

冒頭でもふれたとおり、データをベクトルや行列に見立ててドット積を計算したのは、1件ずつ計算をしてループさせるような方式よりも、ベクトルや行列にデータをまとめてイッキに計算したほうが GPU など並列計算が得意な環境では圧倒的に効率が良いためです。

ベクトルや行列にするとコンピューター(とりわけ GPU)との相性がよく計算効率・スピードを高める効果が期待できるからこそこのようなテクニックを用いていますますので、それこそが重要であり、それ以上の数学的な意味・意義はそんなに考えなくてよいのかなというところでしょうか。

それでは、また次回お会いしましょう!


参考文献
https://blog.qualiteg.com/books/

Read more

大企業のAIセキュリティを支える基盤技術 - 今こそ理解するActive Directory 第4回 プロキシサーバーと統合Windows認証

大企業のAIセキュリティを支える基盤技術 - 今こそ理解するActive Directory 第4回 プロキシサーバーと統合Windows認証

11月に入り、朝晩の冷え込みが本格的になってきましたね。オフィスでも暖房を入れ始めた方も多いのではないでしょうか。 温かいコーヒーを片手に、シリーズ第4回「プロキシサーバーと統合Windows認証」をお届けします。 さて、前回(第3回)は、クライアントPCやサーバーをドメインに参加させる際の「信頼関係」の確立について深掘りしました。コンピューターアカウントが120文字のパスワードで自動認証される仕組みを理解いただけたことで、今回のプロキシサーバーの話もスムーズに入っていけるはずです。 ChatGPTやClaudeへのアクセスを監視する中間プロキシを構築する際、最も重要なのが「確実なユーザー特定」です。せっかくHTTPS通信をインターセプトして入出力内容を記録できても、アクセス元が「tanaka_t」なのか「yamada_h」なのかが分からなければ、監査ログとしての価値は半減してしまいます。 今回は、プロキシサーバー自体をドメインメンバーとして動作させることで、Kerberosチケットの検証を可能にし、透過的なユーザー認証を実現する方法を詳しく解説します。Windows版Squid

By Qualiteg AIセキュリティチーム
エンジニアリングは「趣味」になってしまうのか

エンジニアリングは「趣味」になってしまうのか

こんにちは! 本日は vibe coding(バイブコーディング、つまりAIが自動的にソフトウェアを作ってくれる)と私たちエンジニアの将来について論じてみたいとおもいます。 ちなみに、自分で作るべきか、vibe codingでAIまかせにすべきか、といった二元論的な結論は出せていません。 悩みながらいったりきたり考えてる思考過程をツラツラと書かせていただきました。 「作る喜び」の変質 まずvibe codingという言葉についてです。 2025年2月、Andrej Karpathy氏(OpenAI創設メンバー)が「vibe coding」という言葉を広めました。 彼は自身のX(旧Twitter)投稿で、 「完全にバイブに身を任せ、コードの存在すら忘れる」 と表現しています。 つまり、LLMを相棒に自然言語でコードを生成させる、そんな新しい開発スタイルを指します。 確かにその生産性は圧倒的です。Y Combinatorの2025年冬バッチでは、同社の発表によれば参加スタートアップの約25%がコードの95%をAIで生成していたとされています(TechCrunch, 2

By Qualiteg プロダクト開発部
発話音声からリアルなリップシンクを生成する技術 第5回(後編):Transformerの実装と実践的な技術選択

発話音声からリアルなリップシンクを生成する技術 第5回(後編):Transformerの実装と実践的な技術選択

なぜGPTで成功したTransformerが、リップシンクでは簡単に使えないのか?データ量・計算量・過学習という3つの課題を深掘りし、LSTMとTransformerの実践的な使い分け方を解説。さらに転移学習という第三の選択肢まで、CEATEC 2025で見せた「アバター」の舞台裏を、クオ先生とマナブ君の対話でわかりやすく紐解きます。

By Qualiteg プロダクト開発部
(株)Qualiteg、CEATEC 2025 出展レポート

(株)Qualiteg、CEATEC 2025 出展レポート

こんにちは! 2025年10月14日から17日までの4日間、幕張メッセで開催されたアジア最大級の総合展示会「CEATEC 2025」(主催者発表、総来場者数98,884名)に、株式会社Qualitegとして出展してまいりました! プレスリリース 株式会社Qualiteg、CEATEC 2025に出展 ― AIアバター動画生成サービス「MotionVox®」最新版を実体験株式会社Qualitegのプレスリリース(2025年10月10日 08時50分)株式会社Qualiteg、CEATEC 2025に出展 ― AIアバター動画生成サービス「MotionVox®」最新版を実体験PR TIMES株式会社Qualiteg CEATEC 2025 出展概要 当社は幕張メッセのホール6にあるネクストジェネレーションパークというエリアの 6H207 にブースを構えました。 「Innovation for All」というCEATECのテーマにあわせ、今回は、 AIアバター動画生成サービスMotionVoxを中心に当社の革新的なAIソリューションを展示させていただきました。 展示内容紹介に

By Qualiteg ビジネス開発本部 | マーケティング部, Qualiteg ニュース