ニューラルネットワーク学習の本質：最適化・目的関数・勾配降下法・誤差逆伝播のしくみ

はじめに

こんにちは、Altam Easeの本田直輝です。
近年、AIや機械学習があらゆる分野で活用されるようになっています。その中心技術のひとつが「ニューラルネットワーク」です。本記事では、ニューラルネットワークの学習における核心的な仕組み――つまり「最適化問題」「目的関数」「勾配降下法」「誤差逆伝播法」について、初心者の方でも理解できるように、丁寧に解説します。

学習は「最適化問題」

ニューラルネットワークの学習は、数学的には「最適化問題」として捉えることができます。

「重み（パラメータ）を調整して、損失関数（誤差）を最小にする」
という問題を解いているのです。

目的関数（損失関数）とは？

モデルの出力 y^y^​ と、正解ラベル $y$ のズレを表す関数であり、以下のような形式があります

回帰問題：平均二乗誤差（MSE）

分類問題：クロスエントロピー

最小化のための「勾配降下法」

最適化のために使われるのが、勾配降下法（Gradient Descent）です。

基本の更新式：

η：学習率（Learning Rate）

L：損失関数の勾配（パラメータに対する傾き）

これにより、損失を減らす方向へ少しずつ進んでいくことができます。

勾配法のバリエーション

勾配をどう求める？「誤差逆伝播法」

モデルの学習において最も重要な技術が、誤差逆伝播法（Backpropagation）です。

1. 順伝播：入力 → 出力 を計算

2. ロス計算：正解とのズレを求める

3. 逆伝播：ロスを元に、各層の重みに関する勾配を逆方向に計算

4. 重み更新：勾配を使って、重みを少し修正

連鎖律（Chain Rule）がカギ

勾配の計算は連鎖律を使って行います。

これにより、複雑な層構造を持つネットワークでも、正確に勾配を求めることができます。

全体の学習の流れ

[入力 x]
↓
[順伝播: モデル出力 ŷ を計算]
↓
[ロス関数: ŷ と正解 y のズレを計算]
↓
[逆伝播: ロスから各重みへの勾配を計算]
↓
[勾配降下法: 重みを更新し、再び順伝播へ]
↓
[繰り返し: ロスが十分小さくなるまで]

おわりに

ニューラルネットワークの学習は、表面的には「たくさんのデータを流して重みを調整する」だけに見えるかもしれません。しかし実際には、「最適化問題を勾配を使って解く」という数学的な美しさが背後にあります。

これらの基本を理解することで、深層学習の実装やチューニング、さらには独自モデルの開発にも役立つはずです。