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近年AIは様々な分野で活用されており、私たちの生活を大きく変えつつあります。そんなAI技術の根幹を担っているのが、機械学習です。機械学習とはコンピュータが自ら学習を行い、規則性などを見つけ出す技術です。学習した結果から、予測や判断といったタスクを行います。学習ルールを人間の手によって明示する必要があった従来の手法とは異なり、コンピュータ自身が分析してパターンを見つけ出すという点が特徴です。
機械学習エンジニアについては、こちらの記事で詳しく解説しています。
機械学習エンジニアとは？仕事内容や必要なスキル・資格を徹底解説！
機械学習には大きく分けて以下の3つの種類があります。
それぞれの手法について詳しく解説します。
教師あり学習は機械学習の基本的な手法で、訓練データと正解のペアを与えてその関係を学習させる手法です。入力データと正解のペアのことをラベル付けされたデータと呼びます。訓練データとそれに対応する正解（ラベル）によって学習を行い、新しいデータに対しても正しい予測ができるようにします。
例えば「猫」と「犬」の画像を分類したい場合、訓練データとして「猫」と「犬」の画像にそれぞれラベルを付けて学習させます。コンピュータはデータから「猫」と「犬」の特徴を抽出し、新たに入力として受け取った画像が「猫」か「犬」かを判断します。教師あり学習は主に「分類」や「回帰」と呼ばれるタスクにおいて使用され、具体例としてはスパムメールの判定、商品の価格予測などが挙げられます。
教師なし学習はラベル付けされていないデータを用いて、コンピュータにパターンや構造を発見させる手法です。教師あり学習とは異なり、事前に正解が与えられておらず、AI自身がデータの特徴を分析してパターンを学習するのが特徴です。データにラベル付けする必要がないことから、大量のデータを一括で分析する場合に役立つ手法です。主に「クラスタリング」や「次元削減」と呼ばれるタスクに活用されており、マーケティング領域における顧客の分類などはその例です。
強化学習（Reinforcement Learning）はコンピュータが試行錯誤を繰り返しながら、目標を達成するために最適な行動を学習する手法です。強化学習はロボットや自動運転車の制御など、連続的な意思決定が求められるタスクに適している手法です。例えばチェスなどのゲームにおいては勝つ可能性を一手ごとに評価し、常に最も有利な手を選ぶように学習を行います。
機械学習に限らず様々な分野において、Pythonは世界中で人気のプログラミング言語です。人気の理由は、その使いやすさとライブラリやフレームワークの豊富さです。Pythonのシンプルな構文は可読性が高く、効率よく開発を進められます。さらに充実したライブラリやフレームワークのおかげで、複雑なアルゴリズムでも実装しやすいという点も魅力です。機械学習の分野においてPythonが広く使用されるこれらの理由について、さらに詳しく解説します。
Pythonには機械学習に必要なライブラリやフレームワークも豊富に用意されており、複雑な処理を少ないコード量で記述できます。後ほど詳しくご紹介しますが、「NumPy」や「pandas」、「Scikit-learn」といったライブラリは機械学習の開発に広く用いられています。これらの他にも新しいライブラリが次々にリリースされており、常に最新の技術を取り入れながら効率よく開発できます。
世界中で人気のPythonは、様々な企業や研究機関での導入実績があります。例えば、GoogleやMicrosoft、Metaなど大手のIT企業が社内システムへの機械学習導入にPythonを活用した実績があります。企業への大規模な導入実績が、Pythonの信頼性向上にも繋がっているのです。多くの企業がPythonを使用しているため、ユーザーコミュニティが活発であるというのも特徴です。開発を進める上で困ったことがあっても、膨大な情報源から解決策を見つけやすいというのも魅力でしょう。
Pythonのプログラムはインデント（字下げ）によって、ブロック構造が視覚的に認識しやすいのが特徴です。機械学習の複雑な処理も、比較的シンプルなコードで実現できるのがメリットです。さらに、大規模なプロジェクトでは多くのメンバーが関わるため、誰が見てもわかりやすいコードが求められます。エラー箇所の特定が容易、コミュニケーションが円滑に進めやすいといった点においても、Pythonのシンプルなコードは非常に魅力的です。
Pythonは、学習用のコンテンツが非常に充実しているという点も大きな特徴です。オンラインの学習コース、書籍、Web上のドキュメントなど、多様なリソースが提供されており、幅広いレベルの学習が可能です。学習に役立つコミュニティも多数存在しており、フォーラムやQ&Aサイトでの質問やディスカッションを通じて理解度を高めることもできます。機械学習という先端技術の開発分野において、学習環境が恵まれているということは非常に心強いでしょう。
Pythonには、機械学習の開発に役立つさまざまなライブラリがあるとお伝えしました。具体的にはデータ操作や解析、視覚化、モデル構築などのケースにおいて使用されます。ここでは機械学習の開発においてよく使われる5つのPythonライブラリについて、詳しくご紹介します。
NumPyは多次元配列を効率的に扱えるのが特徴で、行列演算などの関数が豊富に揃っています。機械学習では大量のデータを扱うケースが多いですが、NumPyによって高速かつ効率的なデータ処理が行えます。機械学習の開発においては、データの前処理や数値演算の基盤として利用されるライブラリです。
pandasは、データ分析のためのライブラリです。データの読み込み、整形、分析などの機能が揃っており、こちらも機械学習におけるデータの前処理に広く活用されています。例えば欠損値の処理やデータのグループ化などに使用されます。pandasはCSVやExcel、SQLデータベースからのデータ読み込みや保存もサポートしており、多様なデータソースに対応しているのも特徴です。
matplotlibは、データを可視化するために使用されるライブラリです。機械学習ではデータの分布や傾向を視覚化することが非常に重要であり、matplotlibは学習データやモデルの性能、予測結果などをグラフで確認するために利用されます。折れ線グラフやヒストグラム、散布図などさまざまな種類のグラフを作成することが可能です。
PyTorchは、MetaFacebookの人工知能研究グループが中心となって開発を行った機械学習ライブラリです。動的計算グラフをサポートしており、直感的にモデルを構築、トレーニング、デバッグできる点が特徴です。PyTorchはニューラルネットワークの設計やトレーニングを効率的に行えるように設計されており、自然言語処理やコンピュータビジョンなど多くのディープラーニングプロジェクトにおいて活用されています。
SciPyは、科学技術計算のためのライブラリです。線形代数、最適化、積分、統計など、様々な数学的な処理を行えます。機械学習におけるモデルの評価、シグナルや画像の前処理などの用途で利用されます。SciPyを使用することで、複雑な数学的モデルの最適化や統計的検定を効率的に行えます。高度な解析や精度の高いモデル構築をしたい場合には、SciPyが使用されます。
Pythonが機械学習に用いられる理由、そして機械学習において活用されているPythonライブラリについてお分かりいただけたでしょうか。ライブラリやフレームワークが充実しているPythonは、機械学習以外にも幅広い分野で利用されています。
機械学習やAI関連の技術の発展が目まぐるしい近年において、それらと親和性の高いPythonエンジニアの需要はさらに高まることが予測されます。すでにPythonを扱ったことのあるエンジニアの方はもちろん、機械学習の分野に興味のある方はPythonに触れることでさらに理解を深められるのではないでしょうか。
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