ML チューニング: モデル選択とハイパーパラメータチューニング

\[ \newcommand{\R}{\mathbb{R}} \newcommand{\E}{\mathbb{E}} \newcommand{\x}{\mathbf{x}} \newcommand{\y}{\mathbf{y}} \newcommand{\wv}{\mathbf{w}} \newcommand{\av}{\mathbf{\alpha}} \newcommand{\bv}{\mathbf{b}} \newcommand{\N}{\mathbb{N}} \newcommand{\id}{\mathbf{I}} \newcommand{\ind}{\mathbf{1}} \newcommand{\0}{\mathbf{0}} \newcommand{\unit}{\mathbf{e}} \newcommand{\one}{\mathbf{1}} \newcommand{\zero}{\mathbf{0}} \]

このセクションでは、MLlib のツールを使用して ML アルゴリズムとパイプラインをチューニングする方法について説明します。組み込みのクロスバリデーションおよびその他のツールにより、ユーザーはアルゴリズムとパイプラインのハイパーパラメータを最適化できます。

目次

モデル選択(別名ハイパーパラメータチューニング)

ML における重要なタスクは、モデル選択、つまりデータを使用して特定タスクに最適なモデルまたはパラメータを見つけることです。これはチューニングとも呼ばれます。LogisticRegression のような個々の Estimator、または複数のアルゴリズム、特徴量エンジニアリング、その他のステップを含む完全な Pipeline のチューニングが可能です。ユーザーは、Pipeline の各要素を個別にチューニングするのではなく、完全な Pipeline を一度にチューニングできます。

MLlib は、CrossValidatorTrainValidationSplit などのツールを使用してモデル選択をサポートしています。これらのツールには、次の項目が必要です。

大まかに言うと、これらのモデル選択ツールは次のように機能します。

Evaluator は、回帰問題の場合は RegressionEvaluator、バイナリデータの場合は BinaryClassificationEvaluator、多クラス問題の場合は MulticlassClassificationEvaluator、多ラベル分類の場合は MultilabelClassificationEvaluator、ランキング問題の場合は RankingEvaluator になります。最適な ParamMap を選択するために使用されるデフォルトのメトリクスは、これらの各評価器の setMetricName メソッドによって上書きできます。

パラメータグリッドの構築を支援するために、ユーザーは ParamGridBuilder ユーティリティを使用できます。デフォルトでは、パラメータグリッドからのパラメータセットはシリアルに評価されます。パラメータ評価は、CrossValidator または TrainValidationSplit でモデル選択を実行する前に、parallelism を 2 以上に設定することで並列実行できます (値が 1 の場合はシリアルになります)。parallelism の値は、クラスターリソースを超えないように並列処理を最大化するために慎重に選択する必要があり、値が大きいほどパフォーマンスが向上するとは限りません。一般的に、ほとんどのクラスターでは 10 までの値で十分です。

クロスバリデーション

CrossValidator は、データセットを フォールド のセットに分割することから始まります。これらのフォールドは、個別の訓練データセットとテストデータセットとして使用されます。たとえば、$k=3$ フォールドの場合、CrossValidator は 3 つの (訓練、テスト) データセットペアを生成します。各ペアは、データの 2/3 を訓練に、1/3 をテストに使用します。特定の ParamMap を評価するために、CrossValidator は 3 つの異なる (訓練、テスト) データセットペアで Estimator をフィットさせることによって生成された 3 つの Model の平均評価メトリクスを計算します。

最適な ParamMap を特定した後、CrossValidator は最終的に、最適な ParamMap とデータセット全体を使用して Estimator を再フィットさせます。

例: クロスバリデーションによるモデル選択

次の例は、CrossValidator を使用してパラメータグリッドから選択する方法を示しています。

パラメータグリッドでのクロスバリデーションはコストがかかることに注意してください。たとえば、以下の例では、パラメータグリッドには hashingTF.numFeatures に 3 つの値、lr.regParam に 2 つの値があり、CrossValidator は 2 つのフォールドを使用します。これは、$(3 \times 2) \times 2 = 12$ の異なるモデルがトレーニングされることを意味します。現実的な設定では、さらに多くのパラメータを試したり、より多くのフォールド ($k=3$ および $k=10$ が一般的) を使用することが一般的です。つまり、CrossValidator を使用することは非常にコストがかかる可能性があります。しかし、これもパラメータを選択するための確立された方法であり、ヒューリスティックな手動チューニングよりも統計的に健全です。

API の詳細については、CrossValidator Python ドキュメントを参照してください。

from pyspark.ml import Pipeline
from pyspark.ml.classification import LogisticRegression
from pyspark.ml.evaluation import BinaryClassificationEvaluator
from pyspark.ml.feature import HashingTF, Tokenizer
from pyspark.ml.tuning import CrossValidator, ParamGridBuilder

# Prepare training documents, which are labeled.
training = spark.createDataFrame([
    (0, "a b c d e spark", 1.0),
    (1, "b d", 0.0),
    (2, "spark f g h", 1.0),
    (3, "hadoop mapreduce", 0.0),
    (4, "b spark who", 1.0),
    (5, "g d a y", 0.0),
    (6, "spark fly", 1.0),
    (7, "was mapreduce", 0.0),
    (8, "e spark program", 1.0),
    (9, "a e c l", 0.0),
    (10, "spark compile", 1.0),
    (11, "hadoop software", 0.0)
], ["id", "text", "label"])

# Configure an ML pipeline, which consists of tree stages: tokenizer, hashingTF, and lr.
tokenizer = Tokenizer(inputCol="text", outputCol="words")
hashingTF = HashingTF(inputCol=tokenizer.getOutputCol(), outputCol="features")
lr = LogisticRegression(maxIter=10)
pipeline = Pipeline(stages=[tokenizer, hashingTF, lr])

# We now treat the Pipeline as an Estimator, wrapping it in a CrossValidator instance.
# This will allow us to jointly choose parameters for all Pipeline stages.
# A CrossValidator requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
# We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
# With 3 values for hashingTF.numFeatures and 2 values for lr.regParam,
# this grid will have 3 x 2 = 6 parameter settings for CrossValidator to choose from.
paramGrid = ParamGridBuilder() \
    .addGrid(hashingTF.numFeatures, [10, 100, 1000]) \
    .addGrid(lr.regParam, [0.1, 0.01]) \
    .build()

crossval = CrossValidator(estimator=pipeline,
                          estimatorParamMaps=paramGrid,
                          evaluator=BinaryClassificationEvaluator(),
                          numFolds=2)  # use 3+ folds in practice

# Run cross-validation, and choose the best set of parameters.
cvModel = crossval.fit(training)

# Prepare test documents, which are unlabeled.
test = spark.createDataFrame([
    (4, "spark i j k"),
    (5, "l m n"),
    (6, "mapreduce spark"),
    (7, "apache hadoop")
], ["id", "text"])

# Make predictions on test documents. cvModel uses the best model found (lrModel).
prediction = cvModel.transform(test)
selected = prediction.select("id", "text", "probability", "prediction")
for row in selected.collect():
    print(row)
Spark リポジトリの "examples/src/main/python/ml/cross_validator.py" で完全なサンプルコードを参照してください。

API の詳細については、CrossValidator Scala ドキュメントを参照してください。

import org.apache.spark.ml.Pipeline
import org.apache.spark.ml.classification.LogisticRegression
import org.apache.spark.ml.evaluation.BinaryClassificationEvaluator
import org.apache.spark.ml.feature.{HashingTF, Tokenizer}
import org.apache.spark.ml.linalg.Vector
import org.apache.spark.ml.tuning.{CrossValidator, ParamGridBuilder}
import org.apache.spark.sql.Row

// Prepare training data from a list of (id, text, label) tuples.
val training = spark.createDataFrame(Seq(
  (0L, "a b c d e spark", 1.0),
  (1L, "b d", 0.0),
  (2L, "spark f g h", 1.0),
  (3L, "hadoop mapreduce", 0.0),
  (4L, "b spark who", 1.0),
  (5L, "g d a y", 0.0),
  (6L, "spark fly", 1.0),
  (7L, "was mapreduce", 0.0),
  (8L, "e spark program", 1.0),
  (9L, "a e c l", 0.0),
  (10L, "spark compile", 1.0),
  (11L, "hadoop software", 0.0)
)).toDF("id", "text", "label")

// Configure an ML pipeline, which consists of three stages: tokenizer, hashingTF, and lr.
val tokenizer = new Tokenizer()
  .setInputCol("text")
  .setOutputCol("words")
val hashingTF = new HashingTF()
  .setInputCol(tokenizer.getOutputCol)
  .setOutputCol("features")
val lr = new LogisticRegression()
  .setMaxIter(10)
val pipeline = new Pipeline()
  .setStages(Array(tokenizer, hashingTF, lr))

// We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
// With 3 values for hashingTF.numFeatures and 2 values for lr.regParam,
// this grid will have 3 x 2 = 6 parameter settings for CrossValidator to choose from.
val paramGrid = new ParamGridBuilder()
  .addGrid(hashingTF.numFeatures, Array(10, 100, 1000))
  .addGrid(lr.regParam, Array(0.1, 0.01))
  .build()

// We now treat the Pipeline as an Estimator, wrapping it in a CrossValidator instance.
// This will allow us to jointly choose parameters for all Pipeline stages.
// A CrossValidator requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
// Note that the evaluator here is a BinaryClassificationEvaluator and its default metric
// is areaUnderROC.
val cv = new CrossValidator()
  .setEstimator(pipeline)
  .setEvaluator(new BinaryClassificationEvaluator)
  .setEstimatorParamMaps(paramGrid)
  .setNumFolds(2)  // Use 3+ in practice
  .setParallelism(2)  // Evaluate up to 2 parameter settings in parallel

// Run cross-validation, and choose the best set of parameters.
val cvModel = cv.fit(training)

// Prepare test documents, which are unlabeled (id, text) tuples.
val test = spark.createDataFrame(Seq(
  (4L, "spark i j k"),
  (5L, "l m n"),
  (6L, "mapreduce spark"),
  (7L, "apache hadoop")
)).toDF("id", "text")

// Make predictions on test documents. cvModel uses the best model found (lrModel).
cvModel.transform(test)
  .select("id", "text", "probability", "prediction")
  .collect()
  .foreach { case Row(id: Long, text: String, prob: Vector, prediction: Double) =>
    println(s"($id, $text) --> prob=$prob, prediction=$prediction")
  }
Spark リポジトリの "examples/src/main/scala/org/apache/spark/examples/ml/ModelSelectionViaCrossValidationExample.scala" で完全なサンプルコードを参照してください。

API の詳細については、CrossValidator Java ドキュメントを参照してください。

import java.util.Arrays;

import org.apache.spark.ml.Pipeline;
import org.apache.spark.ml.PipelineStage;
import org.apache.spark.ml.classification.LogisticRegression;
import org.apache.spark.ml.evaluation.BinaryClassificationEvaluator;
import org.apache.spark.ml.feature.HashingTF;
import org.apache.spark.ml.feature.Tokenizer;
import org.apache.spark.ml.param.ParamMap;
import org.apache.spark.ml.tuning.CrossValidator;
import org.apache.spark.ml.tuning.CrossValidatorModel;
import org.apache.spark.ml.tuning.ParamGridBuilder;
import org.apache.spark.sql.Dataset;
import org.apache.spark.sql.Row;

// Prepare training documents, which are labeled.
Dataset<Row> training = spark.createDataFrame(Arrays.asList(
  new JavaLabeledDocument(0L, "a b c d e spark", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(1L, "b d", 0.0),
  new JavaLabeledDocument(2L,"spark f g h", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(3L, "hadoop mapreduce", 0.0),
  new JavaLabeledDocument(4L, "b spark who", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(5L, "g d a y", 0.0),
  new JavaLabeledDocument(6L, "spark fly", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(7L, "was mapreduce", 0.0),
  new JavaLabeledDocument(8L, "e spark program", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(9L, "a e c l", 0.0),
  new JavaLabeledDocument(10L, "spark compile", 1.0),
  new JavaLabeledDocument(11L, "hadoop software", 0.0)
), JavaLabeledDocument.class);

// Configure an ML pipeline, which consists of three stages: tokenizer, hashingTF, and lr.
Tokenizer tokenizer = new Tokenizer()
  .setInputCol("text")
  .setOutputCol("words");
HashingTF hashingTF = new HashingTF()
  .setNumFeatures(1000)
  .setInputCol(tokenizer.getOutputCol())
  .setOutputCol("features");
LogisticRegression lr = new LogisticRegression()
  .setMaxIter(10)
  .setRegParam(0.01);
Pipeline pipeline = new Pipeline()
  .setStages(new PipelineStage[] {tokenizer, hashingTF, lr});

// We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
// With 3 values for hashingTF.numFeatures and 2 values for lr.regParam,
// this grid will have 3 x 2 = 6 parameter settings for CrossValidator to choose from.
ParamMap[] paramGrid = new ParamGridBuilder()
  .addGrid(hashingTF.numFeatures(), new int[] {10, 100, 1000})
  .addGrid(lr.regParam(), new double[] {0.1, 0.01})
  .build();

// We now treat the Pipeline as an Estimator, wrapping it in a CrossValidator instance.
// This will allow us to jointly choose parameters for all Pipeline stages.
// A CrossValidator requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
// Note that the evaluator here is a BinaryClassificationEvaluator and its default metric
// is areaUnderROC.
CrossValidator cv = new CrossValidator()
  .setEstimator(pipeline)
  .setEvaluator(new BinaryClassificationEvaluator())
  .setEstimatorParamMaps(paramGrid)
  .setNumFolds(2)  // Use 3+ in practice
  .setParallelism(2);  // Evaluate up to 2 parameter settings in parallel

// Run cross-validation, and choose the best set of parameters.
CrossValidatorModel cvModel = cv.fit(training);

// Prepare test documents, which are unlabeled.
Dataset<Row> test = spark.createDataFrame(Arrays.asList(
  new JavaDocument(4L, "spark i j k"),
  new JavaDocument(5L, "l m n"),
  new JavaDocument(6L, "mapreduce spark"),
  new JavaDocument(7L, "apache hadoop")
), JavaDocument.class);

// Make predictions on test documents. cvModel uses the best model found (lrModel).
Dataset<Row> predictions = cvModel.transform(test);
for (Row r : predictions.select("id", "text", "probability", "prediction").collectAsList()) {
  System.out.println("(" + r.get(0) + ", " + r.get(1) + ") --> prob=" + r.get(2)
    + ", prediction=" + r.get(3));
}
Spark リポジトリの "examples/src/main/java/org/apache/spark/examples/ml/JavaModelSelectionViaCrossValidationExample.java" で完全なサンプルコードを参照してください。

訓練-検証分割

CrossValidator に加えて、Spark はハイパーパラメータチューニングのために TrainValidationSplit も提供しています。TrainValidationSplit は、CrossValidator の K 倍の評価とは異なり、各パラメータの組み合わせを 1 回だけ評価します。したがって、コストは低いですが、訓練データセットが十分に大きくない場合、それほど信頼性の高い結果は得られません。

CrossValidator とは異なり、TrainValidationSplit は単一の (訓練、テスト) データセットペアを作成します。これは、trainRatio パラメータを使用してデータセットをこれらの 2 つの部分に分割します。たとえば、$trainRatio=0.75$ の場合、TrainValidationSplit は、データの 75% が訓練に使用され、25% が検証に使用される訓練およびテストデータセットペアを生成します。

CrossValidator と同様に、TrainValidationSplit は最終的に、最適な ParamMap とデータセット全体を使用して Estimator をフィットさせます。

例: 訓練検証分割によるモデル選択

API の詳細については、TrainValidationSplit Python ドキュメントを参照してください。

from pyspark.ml.evaluation import RegressionEvaluator
from pyspark.ml.regression import LinearRegression
from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder, TrainValidationSplit

# Prepare training and test data.
data = spark.read.format("libsvm")\
    .load("data/mllib/sample_linear_regression_data.txt")
train, test = data.randomSplit([0.9, 0.1], seed=12345)

lr = LinearRegression(maxIter=10)

# We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
# TrainValidationSplit will try all combinations of values and determine best model using
# the evaluator.
paramGrid = ParamGridBuilder()\
    .addGrid(lr.regParam, [0.1, 0.01]) \
    .addGrid(lr.fitIntercept, [False, True])\
    .addGrid(lr.elasticNetParam, [0.0, 0.5, 1.0])\
    .build()

# In this case the estimator is simply the linear regression.
# A TrainValidationSplit requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
tvs = TrainValidationSplit(estimator=lr,
                           estimatorParamMaps=paramGrid,
                           evaluator=RegressionEvaluator(),
                           # 80% of the data will be used for training, 20% for validation.
                           trainRatio=0.8)

# Run TrainValidationSplit, and choose the best set of parameters.
model = tvs.fit(train)

# Make predictions on test data. model is the model with combination of parameters
# that performed best.
model.transform(test)\
    .select("features", "label", "prediction")\
    .show()
Spark リポジトリの "examples/src/main/python/ml/train_validation_split.py" で完全なサンプルコードを参照してください。

API の詳細については、TrainValidationSplit Scala ドキュメントを参照してください。

import org.apache.spark.ml.evaluation.RegressionEvaluator
import org.apache.spark.ml.regression.LinearRegression
import org.apache.spark.ml.tuning.{ParamGridBuilder, TrainValidationSplit}

// Prepare training and test data.
val data = spark.read.format("libsvm").load("data/mllib/sample_linear_regression_data.txt")
val Array(training, test) = data.randomSplit(Array(0.9, 0.1), seed = 12345)

val lr = new LinearRegression()
    .setMaxIter(10)

// We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
// TrainValidationSplit will try all combinations of values and determine best model using
// the evaluator.
val paramGrid = new ParamGridBuilder()
  .addGrid(lr.regParam, Array(0.1, 0.01))
  .addGrid(lr.fitIntercept)
  .addGrid(lr.elasticNetParam, Array(0.0, 0.5, 1.0))
  .build()

// In this case the estimator is simply the linear regression.
// A TrainValidationSplit requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
val trainValidationSplit = new TrainValidationSplit()
  .setEstimator(lr)
  .setEvaluator(new RegressionEvaluator)
  .setEstimatorParamMaps(paramGrid)
  // 80% of the data will be used for training and the remaining 20% for validation.
  .setTrainRatio(0.8)
  // Evaluate up to 2 parameter settings in parallel
  .setParallelism(2)

// Run train validation split, and choose the best set of parameters.
val model = trainValidationSplit.fit(training)

// Make predictions on test data. model is the model with combination of parameters
// that performed best.
model.transform(test)
  .select("features", "label", "prediction")
  .show()
Spark リポジトリの "examples/src/main/scala/org/apache/spark/examples/ml/ModelSelectionViaTrainValidationSplitExample.scala" で完全なサンプルコードを参照してください。

API の詳細については、TrainValidationSplit Java ドキュメントを参照してください。

import org.apache.spark.ml.evaluation.RegressionEvaluator;
import org.apache.spark.ml.param.ParamMap;
import org.apache.spark.ml.regression.LinearRegression;
import org.apache.spark.ml.tuning.ParamGridBuilder;
import org.apache.spark.ml.tuning.TrainValidationSplit;
import org.apache.spark.ml.tuning.TrainValidationSplitModel;
import org.apache.spark.sql.Dataset;
import org.apache.spark.sql.Row;

Dataset<Row> data = spark.read().format("libsvm")
  .load("data/mllib/sample_linear_regression_data.txt");

// Prepare training and test data.
Dataset<Row>[] splits = data.randomSplit(new double[] {0.9, 0.1}, 12345);
Dataset<Row> training = splits[0];
Dataset<Row> test = splits[1];

LinearRegression lr = new LinearRegression();

// We use a ParamGridBuilder to construct a grid of parameters to search over.
// TrainValidationSplit will try all combinations of values and determine best model using
// the evaluator.
ParamMap[] paramGrid = new ParamGridBuilder()
  .addGrid(lr.regParam(), new double[] {0.1, 0.01})
  .addGrid(lr.fitIntercept())
  .addGrid(lr.elasticNetParam(), new double[] {0.0, 0.5, 1.0})
  .build();

// In this case the estimator is simply the linear regression.
// A TrainValidationSplit requires an Estimator, a set of Estimator ParamMaps, and an Evaluator.
TrainValidationSplit trainValidationSplit = new TrainValidationSplit()
  .setEstimator(lr)
  .setEvaluator(new RegressionEvaluator())
  .setEstimatorParamMaps(paramGrid)
  .setTrainRatio(0.8)  // 80% for training and the remaining 20% for validation
  .setParallelism(2);  // Evaluate up to 2 parameter settings in parallel

// Run train validation split, and choose the best set of parameters.
TrainValidationSplitModel model = trainValidationSplit.fit(training);

// Make predictions on test data. model is the model with combination of parameters
// that performed best.
model.transform(test)
  .select("features", "label", "prediction")
  .show();
Spark リポジトリの "examples/src/main/java/org/apache/spark/examples/ml/JavaModelSelectionViaTrainValidationSplitExample.java" で完全なサンプルコードを参照してください。