【G検定】ブートストラップサンプリング

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ブートストラップサンプリング

ブートストラップサンプリングは、統計学や機械学習の分野で広く用いられる重要な技術です。この手法は、限られたデータセットから最大限の情報を引き出し、モデルの性能を向上させるために使用されます。

データの再利用による学習の強化

ブートストラップサンプリングの基本的な考え方は、元のデータセットから複数の新しいサンプルを作成することです。具体的には、元のデータセットからランダムに、かつ重複を許してデータを抽出します。この過程で、一部のデータは複数回選ばれる一方で、選ばれないデータも存在します。この手法により、元のデータセットと同じサイズの新しいデータセットを複数作成することができます。

これらの新しいデータセットは、それぞれが元のデータの特性を反映しつつも、微妙に異なる特徴を持っています。この多様性が、モデルの学習過程に重要な役割を果たします。各データセットを用いて個別のモデルを学習させることで、モデル全体の汎化性能が向上し、過学習のリスクを軽減することができるようになります。

ランダムフォレストにおけるブートストラップサンプリングの活用

ランダムフォレストは、ブートストラップサンプリングの利点を最大限に活かした手法です。このアルゴリズムでは、複数の決定木を作成しますが、各決定木の学習には、元のデータセットからブートストラップサンプリングによって作成された異なるサブセットが使用されます。

さらに、ランダムフォレストでは、各決定木で使用する特徴量もランダムに選択されます。これにより、個々の決定木は異なるデータと特徴量の組み合わせで学習することになり、結果として多様性に富んだ予測モデルが生成されます。最終的な予測結果は、これらの多様な決定木の出力を多数決で統合することで得られます。

この手法により、ランダムフォレストは高い予測精度と汎化性能を実現しています。個々の決定木の弱点が相互に補完され、全体として安定した予測が可能となります。

ランダムフォレストにおけるブートストラップサンプリングの活用

ブートストラップサンプリングを活用したランダムフォレストは、より広い概念であるアンサンブル学習の一例です。アンサンブル学習とは、複数の学習モデルを組み合わせることで、単一のモデルよりも高い性能を実現する手法です。

その中でも、ブートストラップサンプリングを用いて複数のモデルを学習させる手法は特に「バギング」と呼ばれます。ランダムフォレストは、バギングの考え方を決定木に適用した手法と言えます。バギングにより、データの偏りや外れ値の影響を軽減し、より安定した予測が可能となります。

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参考書籍

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ブートストラップサンプリング

データの再利用による学習の強化

ランダムフォレストにおけるブートストラップサンプリングの活用

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