ディープ・ニューラル・ネットワークとは何か？
ディープ・ニューラル・ネットワーク（DNN）は、人間の脳が情報を処理する方法を模倣した機械学習モデルの一種である。あらかじめ定義されたルールに従う従来のアルゴリズムとは異なり、DNNはデータからパターンを学習し、私たちと同じように過去の経験に基づいて予測を行うことができる。
DNNはディープラーニングの基礎であり、AIエージェント、画像認識、音声アシスタント、AIチャットボットなどのアプリケーションに力を与えている。
ニューラルネットワーク・アーキテクチャとは？
DNNの "ディープ "とは、複数の隠れ層を持ち、ネットワークが複雑なパターンを認識することを意味する。
ニューラルネットワークは、他の層から入力を受け、最終的な結果に達するまで出力を生成する複数の層のノードで構成される。
ニューラルネットワークは、ノード（ニューロン）の層で構成される。各ノードは入力を受け取り、それを処理し、次の層に渡す。
- 入力レイヤー：生のデータ（画像やテキストなど）を入力する最初のレイヤー。
- 隠れ層：入力と出力の間にある層で、データを変換したりパターンを検出したりする。
- 出力層：最終的な予測を行う。
ニューラルネットワークは任意の数の隠れ層を持つことができ、ネットワーク内のノードの層数が多いほど複雑度が増す。従来のニューラルネットワークは通常2～3層の隠れ層で構成されているが、ディープラーニング・ネットワークは最大150層の隠れ層を持つことができる。
ニューラルネットワークとディープ・ニューラル・ネットワークの比較
要するに、入力データを超えて、過去の経験から学習できるニューラルネットワークがディープ・ニューラル・ネットワークとなる。
ニューラルネットワークは、プログラムされたルールに従い、入力データに基づいて判断を下す。例えばチェスゲームでは、ニューラルネットワークはあらかじめ設定された戦術や戦略に基づいて手を提案することができるが、それはプログラマーが提供したものに限られる。
しかし、ディープ・ニューラル・ネットワークは、経験から学習することでさらに進化する。あらかじめ設定されたルールだけに頼るのではなく、DNNは大規模なデータセットから認識したパターンに基づいて判断を調整することができる。
例
写真に写った犬を認識するプログラムを書くことを想像してほしい。従来のニューラルネットワークでは、毛皮や尻尾のような特徴を識別するために明確なルールが必要になる。一方、DNNは何千ものラベル付き画像から学習し、時間の経過とともに精度を向上させる。
ディープ・ニューラル・ネットワークはどのように機能するのか？
まず、入力層の各ニューロンが、画像の画素や文の単語などの生データを受け取り、その入力がタスクにどの程度関連しているかを示す重みを割り当てる。
重みが低い（0.5未満）とは、その情報が関連する可能性が低いことを意味する。これらの重み付けされた入力は隠れ層に渡され、そこでニューロンがさらに情報を調整する。これは出力層が最終的な予測を出すまで、複数の層にわたって続けられる。
ディープ・ニューラル・ネットワークはどのようにして正しいかどうかを判断するのか？
ディープ・ニューラル・ネットワークは、トレーニング中にラベル付けされたデータと予測を比較することで、それが正しいかどうかを知る。各入力に対して、ネットワークは予測が実際の結果と一致するかどうかをチェックする。もし間違っていれば、ネットワークは損失関数を用いて誤差を計算し、予測がどれだけ外れていたかを測定する。
その後、ネットワークはバックプロパゲーショ ンを使って、誤差の原因となったニューロンの重みを調整する。このプロセスは反復ごとに繰り返される。
ニューラルネットワークにはどのような種類がありますか？
ディープ・ニューラル・ネットワークは時間とともにどのように改善されるのか？
ディープ・ニューラル・ネットワークは、失敗から学習することによって、時間とともに向上する。顧客の問題を特定したり、製品を推奨したりといった予測を行う際、それが正しかったかどうかをチェックする。正しくなかった場合、システムは次回の改善のために自らを調整する。
例えば、カスタマーサポートでは、DNNはチケットの解決方法を予測するかもしれない。その予測が間違っていた場合、DNNはその間違いから学習し、将来的に同様のチケットの解決方法を改善する。営業では、DNNは過去の取引を分析することで、どのリードが最もコンバージョンが高いかを学習し、時間の経過とともに推奨を改善することができる。
そのため、やりとりを重ねるごとに、DNNはより正確で信頼できるものになっていく。
人間の心とは異なる論理
しかし、ディープラーニング・モデルはしばしばブラックボックスとして機能する。例えば、ネットワークは犬を認識するかもしれないが、それが毛皮に注目したのか、耳に注目したのか、それとも他の何かに注目したのかは不明だ。
研究者たちは、ネットワークがどのように画像を処理するかを視覚化しようと試みてきたが、言語や金融予測のような複雑なタスクでは、ロジックは隠されたままだ。これらのアルゴリズムは新しく感じられるが、多くは数十年前に開発されたものだ。データとコンピューティングパワーの進歩が、今日それらを実用的なものにしている。
なぜディープ・ニューラル・ネットワークの人気が高まっているのか？
1.処理能力の向上
DNNが急増した主な理由の1つは、処理能力がより速く、より安価になったことだ。高速な収束を達成するためには、処理能力がすべてを左右する。
2.データセットの利用可能性の向上
もう一つの重要な要因は、ディープ・ニューラル・ネットワークが効果的に学習するために必要な、大規模なデータセットの利用可能性である。企業がより多くのデータを生成するにつれて、DNNは従来のモデルでは扱えない複雑なパターンを発見することができる。
3.非構造化データ処理の改善
また、テキスト、画像、音声などの非構造化データを処理する能力により、チャットボット、推薦システム、予測分析などの分野で新たな用途が開拓されている。
ニューラルネットワークは非構造化データを扱えるのか？
そう、ニューラルネットワークは非構造化データを扱うことができる。
非構造化データを扱う人工ニューラルネットワークは、教師なし学習と呼ばれる。これは機械学習の聖杯であり、人間の学習方法に似ている。
従来の機械学習アルゴリズムは、構造化されていないデータを処理するのに苦労している。なぜなら、特徴エンジニアリング（関連する特徴の手作業による選択と抽出）が必要だからだ。対照的に、ニューラルネットワークは、大規模な手動介入なしに、生データのパターンを自動的に学習することができる。
ディープ・ニューラル・ネットワークはどのように学習するのか？
ディープ・ニューラル・ネットワークは、予測を行い、正しい結果と比較することで学習する。例えば、写真を処理する際、画像に犬が写っているかどうかを予測し、その答えがどれくらいの頻度で正しいかを追跡する。
ネットワークは、予測の正答率をチェックすることでその精度を計算し、このフィードバックを改善に利用する。ネットワークはニューロンの重みを調整し、再度このプロセスを実行する。精度が向上すれば新しい重みを維持し、そうでなければ別の調整を試みる。
ネットワークが一貫してパターンを認識し、正確な予測を行えるようになるまで、このサイクルを何度も繰り返す。このポイントに達すると、ネットワークは収束し、正常に学習されたことになる。
コーディング時間を短縮し、より良い結果を得る
ニューラルネットワークは、このプログラミング手法と脳の働き方が似ていることから、そう名付けられた。
脳と同じように、ニューラルネット・アルゴリズムはニューロンまたはノードのネットワークを使用する。脳と同じように、これらのニューロンは入力を取り込み、出力を生成する個別の機能（小さな機械と言ってもいい）である。これらのノードは層状に配置され、ある層のニューロンの出力が次の層のニューロンの入力となり、ネットワークの外側の層のニューロンが最終結果を生成する。
したがって、ニューロンの層があり、個々のニューロンは、脳と同じように、ごく限られた入力を受け、ごく限られた出力を生成する。ニューロンの最初の層（または入力層）が入力を受け取り、ネットワークのニューロンの最後の層（または出力層）が結果を出力する。
この種のアルゴリズムを「ニューラルネットワーク」と呼ぶのは正確か？
もちろん、人間の脳はニューラルネットワークよりもはるかに複雑で強力だ。このアルゴリズムに「ディープ・ニューラル・ネットワーク」と名付けたのはブランディングのための一撃だったが、この技術で達成可能なことについて非現実的な期待を抱かせるかもしれない。とはいえ、非常に複雑なニューラルネットワークを使って脳を再設計しようとしている人たちがいる。そうすることで、ボット開発において人間のような一般的な知能を再現できるのではないかと期待しているのだ。では、ニューラルネットと機械学習技術は、犬の認識問題にどのように役立つのだろうか？
手作業で犬のような属性を定義する代わりに、ディープ・ニューラル・ネットワーク・アルゴリズムを使えば、プログラミングなしで重要な属性を特定し、すべての特殊なケースに対処することができる。
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