Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7761166B2 - Meta-learning method, meta-learning device, and program - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7761166B2 - Meta-learning method, meta-learning device, and program - Google Patents

Meta-learning method, meta-learning device, and program

Info

Publication number
JP7761166B2
JP7761166B2 JP2024572812A JP2024572812A JP7761166B2 JP 7761166 B2 JP7761166 B2 JP 7761166B2 JP 2024572812 A JP2024572812 A JP 2024572812A JP 2024572812 A JP2024572812 A JP 2024572812A JP 7761166 B2 JP7761166 B2 JP 7761166B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
task
meta
learning
feature
parameters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2024572812A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPWO2024157481A1 (en
Inventor
具治 岩田
鷹一 近原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Publication of JPWO2024157481A1 publication Critical patent/JPWO2024157481A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7761166B2 publication Critical patent/JP7761166B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N20/00Machine learning
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/02Neural networks
    • G06N3/08Learning methods
    • G06N3/0985Hyperparameter optimisation; Meta-learning; Learning-to-learn

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computational Linguistics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Description

本開示は、メタ学習方法、メタ学習装置及びプログラムに関する。 The present disclosure relates to a meta-learning method, a meta-learning device, and a program.

機械学習手法では、通常、タスク固有の学習用データセットを使ってモデルのパラメータを学習する。目的とするタスク(以下、目的タスクともいう。)で高い性能を達成するためにはそのタスク固有の学習用データが大量に必要になるが、タスクによっては十分な量の学習用データを用意するのに高いコストが掛かるという問題がある。 In machine learning methods, model parameters are typically trained using task-specific training datasets. Achieving high performance on a target task requires a large amount of task-specific training data, but preparing a sufficient amount of training data can be costly depending on the task.

上記の問題を解決するために、異なるタスクの学習用データを活用し、少量の学習用データでも目的タスクで高い性能を達成するためのメタ学習手法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、既存のメタ学習手法では、複数の機械学習手法を組み合わせて予測をする手法には適用できないという問題がある。To solve the above problems, meta-learning methods have been proposed that utilize training data from different tasks to achieve high performance on the target task even with a small amount of training data (see, for example, Non-Patent Document 1). However, existing meta-learning methods have the problem that they cannot be applied to prediction methods that combine multiple machine learning methods.

なお、関連技術として、複数の回帰モデルを組み合わせて因果効果を推定する技術(例えば、非特許文献2参照)や回帰モデルとその後のカリブレーションで不確実性を推定する技術(例えば、非特許文献3参照)が提案されている。 Related technologies that have been proposed include a technique for estimating causal effects by combining multiple regression models (see, for example, non-patent document 2) and a technique for estimating uncertainty using a regression model and subsequent calibration (see, for example, non-patent document 3).

Finn, Chelsea, Pieter Abbeel, and Sergey Levine. "Model-agnostic meta-learning for fast adaptation of deep networks." Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning, 2017.Finn, Chelsea, Pieter Abbeel, and Sergey Levine. "Model-agnostic meta-learning for fast adaptation of deep networks." Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning, 2017. Curth, Alicia, and Mihaela van der Schaar. "Nonparametric estimation of heterogeneous treatment effects: From theory to learning algorithms." International Conference on Artificial Intelligence and Statistics. 2021.Curth, Alicia, and Mihaela van der Schaar. "Nonparametric estimation of heterogeneous treatment effects: From theory to learning algorithms." International Conference on Artificial Intelligence and Statistics. 2021. Marx, Charles, et al. "Modular Conformal Calibration." International Conference on Machine Learning. 2022.Marx, Charles, et al. "Modular Conformal Calibration." International Conference on Machine Learning. 2022.

本開示は、上記の点に鑑みてなされたもので、複数の機械学習手法を組み合わせて予測する手法のモデルパラメータをメタ学習する技術を提供することを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above points and aims to provide a technology for meta-learning model parameters for a method that combines multiple machine learning methods to make predictions.

本開示の一態様によるメタ学習方法は、複数のタスクの学習用データセットを入力する第1の入力手順と、前記複数のタスクから一のタスクを選択する選択手順と、前記一のタスクの学習用データセットの少なくとも一部の学習用データで構成されるサポートセットと、前記学習用データセットの少なくとも一部の学習用データに含まれる特徴量で構成されるクエリセットとを作成する作成手順と、複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク毎のパラメータを表す第1のパラメータを前記サポートセットに適合するように推定する第1の推定手順と、前記複数の機械学習モデルを組み合わせて前記クエリセットに含まれる第1の特徴量から予測した予測値と、前記予測値に対する教師データとの誤差が小さくなるように、前記複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク共通のパラメータを表す第2のパラメータを学習する学習手順と、をコンピュータが実行する。 A meta-learning method according to one aspect of the present disclosure includes a computer-implemented process comprising: a first input step of inputting training datasets for multiple tasks; a selection step of selecting one task from the multiple tasks; a creation step of creating a support set consisting of at least a portion of the training data in the training dataset for the one task and a query set consisting of features included in at least a portion of the training data in the training dataset; a first estimation step of estimating a first parameter representing a parameter for each task from among parameters possessed by each of multiple machine learning models so as to conform to the support set; and a learning step of learning a second parameter representing a parameter common to all tasks from among parameters possessed by each of the multiple machine learning models so as to reduce the error between a predicted value predicted from the first feature included in the query set by combining the multiple machine learning models and the training data for the predicted value.

複数の機械学習手法を組み合わせて予測する手法のモデルパラメータをメタ学習する技術が提供される。 A technology is provided for meta-learning model parameters for prediction methods that combine multiple machine learning methods.

本実施形態に係るメタ学習装置のハードウェア構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the hardware configuration of a meta-learning device according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係るメタ学習装置の機能構成の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of a meta-learning device according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係るメタ学習処理の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an example of a meta-learning process according to the present embodiment. 本実施形態に係る予測処理の一例を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating an example of a prediction process according to the present embodiment.

以下、本発明の一実施形態について説明する。以下の実施形態では、複数のタスクの学習用データセットが与えられたときに、複数の機械学習手法を組み合わせて予測する手法のモデルパラメータをメタ学習するメタ学習装置10について説明する。また、このメタ学習によって学習されたモデルパラメータを用いて、メタ学習装置10によって目的タスクの予測を行う場合についても説明する。 An embodiment of the present invention will be described below. In the following embodiment, a meta-learning device 10 will be described that, when given a learning dataset for multiple tasks, meta-learns model parameters for a method that combines multiple machine learning methods to make predictions. A case will also be described in which the meta-learning device 10 uses the model parameters learned by this meta-learning to predict a target task.

以下では、一例として、複数の機械学習手法を組み合わせて因果効果を推定(予測)する手法について説明する。ただし、これは一例であって、複数の機械学習手法を組み合わせて予測する手法であれば、例えば、不確実性を推定(予測)する場合など他の問題に対しても以下の実施形態を同様に適用することが可能である。 As an example, the following describes a method for estimating (predicting) causal effects by combining multiple machine learning methods. However, this is just one example, and the following embodiment can be similarly applied to other problems, such as estimating (predicting) uncertainty, as long as the method combines multiple machine learning methods to make predictions.

ここで、メタ学習装置10には、複数のタスクで共通のモデルパラメータ(以下、タスク共通パラメータともいう。)をメタ学習する「メタ学習時」と、メタ学習時に学習されたタスク共通パラメータを用いて目的タスクにおける因果効果を推定する「予測時」とが存在する。なお、「メタ学習時」は、例えば、単に「学習時」等と呼ばれてもよい。また、「予測時」は、例えば、「推論時」や「テスト時」等と呼ばれてもよい。 Here, the meta-learning device 10 has a "meta-learning time" during which it meta-learns model parameters common to multiple tasks (hereinafter also referred to as task-common parameters), and a "prediction time" during which it estimates causal effects in a target task using the task-common parameters learned during meta-learning. Note that "meta-learning time" may also be referred to simply as "learning time," for example. Furthermore, "prediction time" may also be referred to as "inference time" or "test time," for example.

メタ学習時におけるメタ学習装置10には、t番目のタスクの学習用データセットをD={(xtn,atn,ytn)|n=1,・・・,N}として、T個のタスクの学習用データセットの集合D={D|t=1,・・・,T}が与えられるものとする。ここで、xtnはt番目のタスクのn番目の特徴量、atnはt番目のタスクのn番目の処置、ytnはt番目のタスクのn番目の結果を表す。また、Nはt番目のタスクの学習用データセットDに含まれる学習用データ数を表す。以下、T個のタスクの学習用データセットの集合のことを「メタ学習用データセット」ともいう。また、t番目のタスクを「タスクt」とも表記することにする。 During meta-learning, the meta-learning device 10 is given a set of training datasets D = {D t | t = 1, ..., T} for T tasks, where D t = {(x tn , a tn , y tn ) | n = 1, ..., N t } is the training dataset for the t-th task. Here, x tn represents the n-th feature of the t-th task, a tn represents the n-th action of the t-th task, and y tn represents the n-th result of the t-th task. Furthermore, N t represents the number of training data sets included in the training dataset D t for the t-th task. Hereinafter, the set of training datasets for T tasks will also be referred to as the "meta-learning dataset." Furthermore, the t-th task will also be referred to as "task t."

予測時におけるメタ学習装置10には、未知のタスク(つまり、1番目~T番目のいずれとも異なるタスク(目的タスク))のデータセットS'={(x S',a S',y S')|n=1,・・・,NS'}が与えられるものとする。ここで、x S'は目的タスクのn番目の特徴量、a S'は目的タスクのn番目の処置、y S'は目的タスクのn番目の結果を表す。また、NS'はデータセットS'に含まれるデータ数を表す。このとき、目的タスクの特徴量x'が与えられたときに(つまり、処置及び結果が未知の特徴量x'が与えられたときに)、その特徴量x'の因果効果を推定することが目的である。以下、データセットS'のことを「サポートセットS'」とも呼ぶことにする。 At the time of prediction, the meta-learning device 10 is provided with a dataset S' = {( xnS ', anS' , ynS ' ) | n = 1, ..., Ns' } of an unknown task (i.e., a task (target task) different from any of the first to Tth tasks). Here, xnS ' represents the nth feature of the target task, anS ' represents the nth action of the target task, and ynS ' represents the nth result of the target task. Furthermore, Ns ' represents the number of data included in the dataset S'. In this case, when a feature x' of the target task is given (i.e., when a feature x' whose action and result are unknown is given), the objective is to estimate the causal effect of that feature x'. Hereinafter, the dataset S' will also be referred to as a "support set S'."

なお、以下では、処置は0又は1の二値(例えば、処置を行った場合は1、処置を行っていない場合は0)を取ることを想定するが、多値を取るものであってもよい。また、特徴量は因果関係の原因となる対象の特徴を表すベクトルであることを想定するが、その形式はベクトルに限られるものではなく、例えば、画像やグラフ等であってもよい。 In the following, we assume that the action takes on a binary value of 0 or 1 (for example, 1 if the action was taken, and 0 if the action was not taken), but it may also take on multiple values. Furthermore, we assume that the feature is a vector representing the characteristics of the object that causes the causal relationship, but the format is not limited to a vector and may be, for example, an image or graph.

以下の実施形態では、因果効果を推定するために、異なる機械学習手法によってそれぞれ実現され、タスク共通パラメータとタスクに特化したモデルパラメータ(以下、タスク特化パラメータともいう。)とを持つ3つのモデル(処置確率推定モデル、結果推定モデル、因果効果推定モデル)を利用する。これら3つのモデルのタスク特化パラメータは或るデータセット(メタ学習時では後述するサポートセットS、予測時ではサポートセットS')に適合するように推定される。一方で、タスク共通パラメータはメタ学習時に因果効果の推定精度が高くなるに推定(学習)される。そして、予測時には、学習済みのタスク共通パラメータを設定した3つのモデルとサポートセットS'を用いて当該サポートセットS'に適合するようにタスク特化パラメータを推定した上で、因果効果推定モデルにより目的タスクの特徴量x'の因果効果を推定する。In the following embodiment, to estimate causal effects, three models (treatment probability estimation model, outcome estimation model, and causal effect estimation model) are used, each realized by a different machine learning method and having task-common parameters and task-specific model parameters (hereinafter also referred to as task-specific parameters). The task-specific parameters of these three models are estimated to fit a certain dataset (support set S, described below, during meta-learning, and support set S' during prediction). Meanwhile, task-common parameters are estimated (learned) during meta-learning to increase the accuracy of estimating causal effects. Then, during prediction, the task-specific parameters are estimated to fit support set S' using the three models with the learned task-common parameters and support set S', and the causal effect of feature x' of the target task is estimated using the causal effect estimation model.

なお、以下の実施形態では、メタ学習時と予測時とを同一のメタ学習装置10が実現する場合について説明するが、メタ学習時と予測時とが異なる装置で実現されていてもよい。この場合、予測時を実現する装置は、例えば、「予測装置」や「推論装置」等と呼ばれてもよい。 In the following embodiment, we will explain the case where the same meta-learning device 10 is used for both meta-learning and prediction, but meta-learning and prediction may be performed by different devices. In this case, the device that performs prediction may be called, for example, a "prediction device" or an "inference device."

<メタ学習装置10のハードウェア構成例>
本実施形態に係るメタ学習装置10のハードウェア構成例を図1に示す。図1に示すように、本実施形態に係るメタ学習装置10は一般的なコンピュータ又はコンピュータシステムのハードウェア構成により実現され、例えば、入力装置101と、表示装置102と、外部I/F103と、通信I/F104と、RAM(Random Access Memory)105と、ROM(Read Only Memory)106と、補助記憶装置107と、プロセッサ108とを有する。また、これらの各ハードウェアは、それぞれがバス109を介して通信可能に接続されている。
<Example of hardware configuration of meta-learning device 10>
An example of the hardware configuration of a meta-learning device 10 according to this embodiment is shown in Figure 1. As shown in Figure 1, the meta-learning device 10 according to this embodiment is realized by the hardware configuration of a general computer or computer system, and includes, for example, an input device 101, a display device 102, an external I/F 103, a communication I/F 104, a RAM (Random Access Memory) 105, a ROM (Read Only Memory) 106, an auxiliary storage device 107, and a processor 108. Furthermore, each of these pieces of hardware is connected to each other via a bus 109 so that they can communicate with each other.

入力装置101は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、物理ボタン等である。表示装置102は、例えば、ディスプレイ、表示パネル等である。なお、メタ学習装置10は、例えば、入力装置101及び表示装置102のうちの少なくとも一方を有していなくてもよい。 The input device 101 is, for example, a keyboard, a mouse, a touch panel, a physical button, etc. The display device 102 is, for example, a display, a display panel, etc. Note that the meta-learning device 10 may not have at least one of the input device 101 and the display device 102, for example.

外部I/F103は、記録媒体103a等の外部装置とのインタフェースである。メタ学習装置10は、外部I/F103を介して、記録媒体103aの読み取りや書き込み等を行うことができる。記録媒体103aとしては、例えば、フレキシブルディスク、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disk)、SDメモリカード(Secure Digital memory card)、USB(Universal Serial Bus)メモリカード等が挙げられる。 The external I/F 103 is an interface with external devices such as the recording medium 103a. The meta-learning device 10 can read and write data from and to the recording medium 103a via the external I/F 103. Examples of the recording medium 103a include a flexible disk, a CD (Compact Disc), a DVD (Digital Versatile Disk), an SD memory card (Secure Digital memory card), and a USB (Universal Serial Bus) memory card.

通信I/F104は、メタ学習装置10が通信ネットワーク等に接続するためのインタフェースである。RAM105は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。ROM106は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の半導体メモリ(記憶装置)である。補助記憶装置107は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、フラッシュメモリ等のストレージ装置(記憶装置)である。プロセッサ108は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphics Processing Unit)等の演算装置である。 The communication I/F 104 is an interface for connecting the meta-learning device 10 to a communication network, etc. The RAM 105 is a volatile semiconductor memory (storage device) that temporarily stores programs and data. The ROM 106 is a non-volatile semiconductor memory (storage device) that can store programs and data even when the power is turned off. The auxiliary storage device 107 is a storage device (storage device) such as an HDD (Hard Disk Drive), SSD (Solid State Drive), or flash memory. The processor 108 is an arithmetic device such as a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit).

本実施形態に係るメタ学習装置10は、図1に示すハードウェア構成を有することにより、後述する各種処理を実現することができる。なお、図1に示すハードウェア構成は一例であって、メタ学習装置10のハードウェア構成はこれに限られるものではない。例えば、メタ学習装置10は、複数の補助記憶装置107や複数のプロセッサ108を有していてもよいし、図示したハードウェアの一部を有していなくてもよいし、図示したハードウェア以外の様々なハードウェアを有していてもよい。 The meta-learning device 10 according to this embodiment has the hardware configuration shown in FIG. 1, and is therefore capable of performing the various processes described below. Note that the hardware configuration shown in FIG. 1 is merely an example, and the hardware configuration of the meta-learning device 10 is not limited to this. For example, the meta-learning device 10 may have multiple auxiliary storage devices 107 or multiple processors 108, may not have some of the hardware shown in the figure, or may have various hardware other than the hardware shown in the figure.

<メタ学習装置10の機能構成例>
本実施形態に係るメタ学習装置10の機能構成例を図2に示す。図2に示すように、本実施形態に係るメタ学習装置10は、入力部201と、疑似因果効果推定部202と、メタ学習部203と、処置確率推定部204と、結果推定部205と、疑似結果推定部206と、因果効果推定部207と、出力部208とを有する。これら各部は、例えば、メタ学習装置10にインストールされた1以上のプログラムが、プロセッサ108等に実行させる処理により実現される。また、本実施形態に係るメタ学習装置10は、記憶部209を有する。当該記憶部209は、例えば、メタ学習装置10と通信ネットワーク等を介して接続されるデータベースサーバ等の記憶装置により実現されてもよい。
<Example of functional configuration of meta-learning device 10>
An example of the functional configuration of the meta-learning device 10 according to this embodiment is shown in Figure 2. As shown in Figure 2, the meta-learning device 10 according to this embodiment includes an input unit 201, a pseudo-causal effect estimation unit 202, a meta-learning unit 203, a treatment probability estimation unit 204, an outcome estimation unit 205, a pseudo-outcome estimation unit 206, a causal effect estimation unit 207, and an output unit 208. Each of these units is realized, for example, by a processor 108 or the like executing one or more programs installed in the meta-learning device 10. The meta-learning device 10 according to this embodiment also includes a memory unit 209. The memory unit 209 may be realized, for example, by a storage device such as a database server connected to the meta-learning device 10 via a communication network or the like.

入力部201は、メタ学習時において、与えられたメタ学習用データセットDを入力する。また、入力部201は、予測時において、与えられたサポートセットS'と、処置及び結果が未知の特徴量x'とを入力する。 During meta-learning, the input unit 201 inputs a given meta-learning dataset D. During prediction, the input unit 201 inputs a given support set S' and a feature x' whose treatment and outcome are unknown.

疑似因果効果推定部202は、メタ学習時において、各タスクの学習用データを用いて、既存の因果効果推定手法により、因果効果を推定する。以下、疑似因果効果推定部202によって推定された因果効果を「疑似因果効果」と呼ぶことにする。また、t番目のタスクのn番目の疑似因果効果をDuring meta-learning, the pseudo-causal effect estimation unit 202 uses the learning data for each task to estimate the causal effect using an existing causal effect estimation method. Hereinafter, the causal effect estimated by the pseudo-causal effect estimation unit 202 will be referred to as the "pseudo-causal effect." Furthermore, the nth pseudo-causal effect of the tth task will be

と表す。この疑似因果効果は、後述するクエリセットQに含まれる特徴量xtn に対する教師データとして用いられる。以下、明細書のテキスト中では、疑似因果効果を「τtn」を表記することにする。 This pseudo-causal effect is used as training data for the feature x tn q included in the query set Q t , which will be described later. Hereinafter, in the text of the specification, the pseudo-causal effect will be represented as " τ tn ".

なお、疑似因果効果推定部202は、既存の任意の因果効果推定手法により疑似因果効果を推定すればよいが、例えば、非特許文献2等に記載されているDR-learner(doubly robust learner)やRA-learner(regression adjustment learner)等を用いればよい。 The pseudo-causal effect estimation unit 202 may estimate the pseudo-causal effect using any existing causal effect estimation method, such as a DR-learner (doubly robust learner) or RA-learner (regression adjustment learner) as described in Non-Patent Document 2.

メタ学習部203は、メタ学習時において、1番目のタスク~T番目のタスクの中からランダムに1つのタスクtを選択した上で、選択したタスクtの学習用データセットDからサポートセットSとクエリセットQを作成する。 During meta-learning, the meta-learning unit 203 randomly selects one task t from the first task to the Tth task, and then creates a support set S t and a query set Q t from the learning dataset D t for the selected task t.

より具体的には、まず、メタ学習部203は、1つのt∈{1,・・・,T}をランダムに選択する。次に、メタ学習部203は、タスクtの学習用データセットDからランダムな個数の学習用データをランダムに選択した上で、学習用データの番号をリナンバリングしてサポートセットS={(xtn ,atn ,ytn )|n=1,・・・,N }を作成する。また、メタ学習部203は、タスクtの学習用データセットDからランダムな個数の学習用データをランダムに選択した上で、それらの学習用データに含まれる特徴量xtnとその疑似因果効果τtnの番号をリナンバリングしてクエリセットQ={(xtn τtn )|n=1,・・・,N }を作成する。ここで、N はサポートセットSに含まれるデータ数、N はクエリセットQに含まれるデータ数である。 More specifically, first, the meta-learning unit 203 randomly selects one t∈{1, ..., T}. Next, the meta-learning unit 203 randomly selects a random number of training data from the training dataset Dt for task t, and then renumbers the numbers of the training data to create a support set St = {( xtnS , atnS , ytnS )|n = 1, ..., NtS } . Furthermore, the meta-learning unit 203 randomly selects a random number of training data from the training dataset Dt for task t , and then renumbers the numbers of the feature xtn and its pseudo-causal effect ~ τtn included in the training data to create a query set Qt = {( xtnq , ~ τtnq )|n = 1, ..., Ntq }. Here, NtS is the number of data included in the support set St , and Ntq is the number of data included in the query set Qt .

以下では、簡単のため、タスクを表す「t」を省略して、サポートセットをS={(x ,a ,y )|n=1,・・・,N}、クエリセットをQ={(x τ )|n=1,・・・,N}とも表記する。 In the following, for simplicity, we will omit the "t" representing the task, and denote the support set as S = {( xnS , anS , ynS ) | n = 1, ..., Ns }, and the query set as Q = {( xnq , ~ τnq ) | n = 1 , ..., Nq }.

また、メタ学習部203は、メタ学習時において、サポートセットSを3つのモデル(処置確率推定モデル、結果推定モデル、因果効果推定モデル)に適合させたときに因果効果推定モデルによって推定される特徴量x の因果効果(因果効果推定値)と、疑似因果効果τ とが近くなるように、例えば確率的勾配法等の最適化法により、タスク共通パラメータを更新する。なお、特徴量x の因果効果推定値と疑似因果効果τ との間の近さ(距離)を測るための尺度としては、例えば、二乗誤差や平均二乗誤差等を用いることができる。 Furthermore, during meta-learning, the meta-learning unit 203 updates task-common parameters using an optimization method such as a stochastic gradient method so that the causal effect (causal effect estimate) of the feature x n q estimated by the causal effect estimation model when the support set S is fitted to three models (treatment probability estimation model, outcome estimation model, and causal effect estimation model) becomes closer to the pseudo-causal effect τ n q . Note that squared error, mean squared error, or the like can be used as a measure of the closeness (distance) between the causal effect estimate of the feature x n q and the pseudo-causal effect τ n q .

処置確率推定部204は、処置確率推定モデルによって実現される。処置確率推定部204は、メタ学習時において、処置確率推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x に対する処置の確率(以下、処置確率ともいう。)を推定する。また、処置確率推定部204は、予測時において、処置確率推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x S'に対する処置確率を推定する。 The treatment probability estimation unit 204 is realized by a treatment probability estimation model. During meta-learning, the treatment probability estimation unit 204 estimates the probability of treatment (hereinafter also referred to as treatment probability) for the feature x n S when the treatment probability estimation model is adapted to the support set S. Furthermore, during prediction, the treatment probability estimation unit 204 estimates the treatment probability for the feature x n S' when the treatment probability estimation model is adapted to the support set S'.

処置確率推定モデルのタスク特化パラメータは、サポートセット(メタ学習時はサポートセットS、予測時はサポートセットS')における処置確率推定精度が高くなるように推定される。例えば、処置確率推定モデルとして、以下の式(1)に示すモデルを利用することができる。 The task-specific parameters of the treatment probability estimation model are estimated to increase the accuracy of treatment probability estimation in the support set (support set S during meta-learning, support set S' during prediction). For example, the model shown in the following equation (1) can be used as the treatment probability estimation model.

ここで、π(x)は特徴量がxのときに処置が1である確率、f(x)はタスク共通パラメータφを持つニューラルネットワークを表す。また、θpaはタスク特化パラメータを表し、処置(メタ学習時は処置a 、予測時は処置a S')の値がa∈{0,1}である特徴量(メタ学習時は特徴量x 、予測時は特徴量x S')の平均ベクトルである。 Here, π(x) is the probability that the treatment is 1 when the feature is x, and f p (x) represents a neural network with a task-common parameter φ p . θ pa represents a task-specific parameter and is the mean vector of the features (feature x n S during meta-learning, feature x n S' during prediction) whose treatment value (treatment a n S during meta-learning, treatment a n S' during prediction) is a∈{0, 1}.

上記の式(1)に示す処置確率推定モデルの場合、タスク特化パラメータは特徴量の平均を求めるだけでよいため、効率的にサポートセットへの適合が可能となる。ただし、上記の式(1)に示すモデルを処置確率推定モデルとすることは一例であって、例えば、フィードフォワードニューラルネットワーク等といった他のモデルを処置確率推定モデルとすることも可能である。 In the case of the treatment probability estimation model shown in equation (1) above, the task-specific parameters simply require calculating the average of the feature quantities, enabling efficient adaptation to the support set. However, using the model shown in equation (1) above as a treatment probability estimation model is just one example, and other models, such as a feedforward neural network, can also be used as a treatment probability estimation model.

結果推定部205は、結果推定モデルによって実現される。結果推定部205は、メタ学習時において、結果推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x 及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する。また、結果推定部205は、予測時において、結果推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x S'及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する。 The result estimation unit 205 is realized by a result estimation model. During meta-learning, the result estimation unit 205 estimates the feature x n S and the result for the treatment aε{0, 1} when the result estimation model is adapted to the support set S. Furthermore, during prediction, the result estimation unit 205 estimates the feature x n S′ and the result for the treatment aε{0, 1} when the result estimation model is adapted to the support set S′.

結果推定モデルのタスク特化パラメータは、サポートセット(メタ学習時はサポートセットS、予測時はサポートセットS')における結果推定精度が高くなるように推定される。例えば、結果推定モデルとして、以下の式(2)に示すモデルを利用することができる。 The task-specific parameters of the outcome estimation model are estimated to increase the accuracy of outcome estimation in the support set (support set S during meta-learning, support set S' during prediction). For example, the model shown in the following equation (2) can be used as the outcome estimation model.

ここで、μ(x)は特徴量がxで処置がa∈{0,1}である場合の結果、f(x)はタスク共通パラメータφを持つニューラルネットワーク、θはタスク特化パラメータを表す。 Here, μ a (x) is the result when feature x and treatment aε{0, 1}, f a (x) is a neural network with task-common parameter φ a , and θ a is a task-specific parameter.

上記の式(2)に示す結果推定モデルの場合、タスク特化パラメータに関しては線形モデルであるため、サポートセットに適合する最適なタスク特化パラメータは最小二乗法で解析的に求めることができる。このため、効率的にサポートセットへの適合が可能となる。ただし、上記の式(2)に示すモデルを結果推定モデルとすることは一例であって、例えば、線形モデルの代わりに、ガウス過程を用いることも可能である。また、例えば、フィードフォワードニューラルネットワーク等といった他のモデルを結果推定モデルとすることも可能である。 In the case of the result estimation model shown in equation (2) above, since the task-specific parameters are a linear model, the optimal task-specific parameters that fit the support set can be analytically determined using the least squares method. This allows for efficient adaptation to the support set. However, using the model shown in equation (2) above as the result estimation model is just one example; for example, a Gaussian process could also be used instead of a linear model. It is also possible to use other models, such as a feedforward neural network, as the result estimation model.

疑似結果推定部206は、メタ学習時及び予測時において、処置確率推定部204によって推定された処置確率と、結果推定部205によって推定された結果と、サポートセット(メタ学習時はサポートセットS、予測時はサポートセットS')とを用いて、そのサポートセットの特徴量に対する結果(以下、疑似結果ともいう。)を推定する。このとき、疑似結果推定部206は、疑似結果の期待値と因果効果の期待値とが近くなるように、疑似結果を推定する。例えば、疑似結果推定部206は、メタ学習時において、以下の式(3)により疑似結果を推定することができる。During meta-learning and prediction, the pseudo-result estimation unit 206 uses the treatment probability estimated by the treatment probability estimation unit 204, the result estimated by the result estimation unit 205, and a support set (support set S during meta-learning, support set S' during prediction) to estimate a result (hereinafter also referred to as a pseudo-result) for the feature quantities of that support set. At this time, the pseudo-result estimation unit 206 estimates the pseudo-result so that the expected value of the pseudo-result and the expected value of the causal effect are close to each other. For example, during meta-learning, the pseudo-result estimation unit 206 can estimate the pseudo-result using the following equation (3):

ここで、予測時においては、上記の式(3)の「S」を「S'」と読み替えればよい。以下、明細書のテキスト中では、特徴量x に対する疑似結果を「 」を表記することにする。同様に、特徴量x S'に対する疑似結果を「 S'」を表記することにする。 Here, when making a prediction, "S" in the above formula (3) can be read as "S'" . Hereinafter, in the text of the specification, the pseudo result for the feature xnS will be expressed as " ~ ynS " . Similarly, the pseudo result for the feature xnS ' will be expressed as " ~ ynS ' ".

なお、上記の式(3)では処置確率推定モデルπ(・)と結果推定モデルμ(・)の両方を用いたが、いずれか一方のみを用いてもよい。処置確率推定モデルπ(・)と結果推定モデルμ(・)のいずれか一方のみを用いる場合も、疑似結果の期待値と因果効果の期待値とが近くなるように、疑似結果を推定すればよい。 In the above formula (3), both the treatment probability estimation model π(·) and the outcome estimation model μ a (·) are used, but only one of them may be used. Even when only one of the treatment probability estimation model π(·) and the outcome estimation model μ a (·) is used, it is sufficient to estimate the pseudo-outcome so that the expected value of the pseudo-outcome and the expected value of the causal effect are close to each other.

因果効果推定部207は、因果効果推定モデルによって実現される。因果効果推定部207は、メタ学習時において、疑似結果推定部206によって推定された疑似結果を用いて、因果効果推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x の因果効果を推定する。また、因果効果推定部207は、予測時において、疑似結果推定部206によって推定された疑似結果を用いて、因果効果推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x'の因果効果を推定する。 The causal effect estimation unit 207 is realized by a causal effect estimation model. During meta-learning, the causal effect estimation unit 207 uses the pseudo results estimated by the pseudo result estimation unit 206 to estimate the causal effect of the feature x n q when the causal effect estimation model is adapted to the support set S. During prediction, the causal effect estimation unit 207 uses the pseudo results estimated by the pseudo result estimation unit 206 to estimate the causal effect of the feature x' when the causal effect estimation model is adapted to the support set S'.

因果効果推定モデルのタスク特化パラメータは、特徴量(メタ学習時は特徴量x 、予測時は特徴量x S')に対する疑似結果と、因果効果推定モデルによって推定される当該特徴量の因果効果(因果効果推定値)とが近くなるように推定される。例えば、因果効果推定モデルとして、以下の式(4)に示すモデルを利用することができる。 The task-specific parameters of the causal effect estimation model are estimated so that the pseudo result for the feature ( the feature xnS during meta-learning, and the feature xnS ' during prediction) and the causal effect of the feature estimated by the causal effect estimation model (the causal effect estimate) are close to each other. For example, the model shown in the following formula (4) can be used as the causal effect estimation model.

ここで、τ(x)は特徴量がxの場合の因果効果、f(x)はタスク共通パラメータφを持つニューラルネットワーク、θはタスク特化パラメータを表す。 Here, τ(x) represents the causal effect when the feature quantity is x, f y (x) represents a neural network having a task-common parameter φ y , and θ y represents a task-specific parameter.

上記の式(4)に示す因果効果推定モデルの場合、タスク特化パラメータに関しては線形モデルであるため、サポートセットに適合する最適なタスク特化パラメータは最小二乗法で解析的に求めることができる。このため、効率的にサポートセットへの適合が可能となる。ただし、上記の式(4)に示すモデルを因果効果推定モデルとすることは一例であって、例えば、線形モデルの代わりに、ガウス過程を用いることも可能である。また、例えば、フィードフォワードニューラルネットワーク等といった他のモデルを因果効果推定モデルとすることも可能である。 In the case of the causal effect estimation model shown in equation (4) above, the task-specific parameters are a linear model, so the optimal task-specific parameters that fit the support set can be analytically determined using the least squares method. This allows for efficient adaptation to the support set. However, using the model shown in equation (4) above as the causal effect estimation model is just one example; for example, a Gaussian process could also be used instead of a linear model. It is also possible to use other models, such as a feedforward neural network, as the causal effect estimation model.

出力部208は、予測時において、因果効果推定部207によって推定された特徴量x'の因果効果を予め決められた所定の出力先に出力する。なお、所定の出力先としては、例えば、記憶部209、ディスプレイ等の表示装置102、通信ネットワークを介して接続される他の機器等が挙げられる。During prediction, the output unit 208 outputs the causal effect of the feature x' estimated by the causal effect estimation unit 207 to a predetermined output destination. Examples of the predetermined output destination include the memory unit 209, a display device 102 such as a display, and other devices connected via a communication network.

記憶部209は、各種データ(例えば、メタ学習用データセットD、目的タスクのサポートセットS'、目的タスクの特徴量x'、タスク特化パラメータ、タスク共通パラメータ等)を記憶する。 The memory unit 209 stores various data (e.g., meta-learning dataset D, support set S' for the target task, feature values x' for the target task, task-specific parameters, task-common parameters, etc.).

<メタ学習処理>
以下、本実施形態に係るメタ学習処理の一例について、図3を参照しながら説明する。
<Meta-learning processing>
An example of the meta-learning process according to this embodiment will be described below with reference to FIG.

まず、入力部201は、与えられたメタ学習用データセットDを入力する(ステップS101)。 First, the input unit 201 inputs the given meta-learning dataset D (step S101).

次に、疑似因果効果推定部202は、各タスクの学習用データ(xtn,atn,ytn)を用いて、既存の因果効果推定手法により、当該学習用データ(xtn,atn,ytn)に対する疑似因果効果τtnを推定する(ステップS102)。これにより、疑似因果効果の集合{{τtn|n=1,・・・,N}|t=1,・・・,T}が得られる。 Next, the pseudo-causal effect estimation unit 202 uses the training data (x tn , a tn , y tn ) of each task to estimate the pseudo-causal effect τ tn for the training data (x tn , a tn , y tn ) by an existing causal effect estimation method (step S102). This results in a set of pseudo-causal effects {{ τ tn |n=1, ..., N t }|t=1, ..., T}.

次に、メタ学習部203は、1番目のタスク~T番目のタスクの中からランダムに1つのタスクtを選択した上で、選択したタスクtの学習用データセットDからサポートセットS={(x ,a ,y )|n=1,・・・,N}とクエリセットQ={(x τ )|n=1,・・・,N}を作成する(ステップS103)。 Next, the meta-learning unit 203 randomly selects one task t from the first task to the Tth task, and creates a support set S = { ( xnS , anS , ynS )|n = 1, ..., Ns } and a query set Q = {( xnq , ... τnq ) |n = 1, ..., Nq } from the learning dataset Dt for the selected task t (step S103).

次に、処置確率推定部204は、処置確率推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x に対する処置確率を推定する(ステップS104)。すなわち、処置確率推定部204は、まず処置確率推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ処置確率推定モデルにより特徴量x に対する処置確率を推定する。 Next, the treatment probability estimation unit 204 estimates the treatment probability for the feature x n S when the treatment probability estimation model is adapted to the support set S (step S104). That is, the treatment probability estimation unit 204 first estimates task-specific parameters of the treatment probability estimation model, and then estimates the treatment probability for the feature x n S using the treatment probability estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(1)に示す処置確率推定モデルを用いる場合、処置確率推定部204は、まずa =0である特徴量x の平均ベクトルをθp0とa =1である特徴量x の平均ベクトルをθp1とを求める。次に、処置確率推定部204は、上記の式(1)に示す処置確率推定モデルより処置確率π(x )を推定する。これにより、処置確率の集合{π(x )|n=1,・・・,N}が得られる。 For example, when using the treatment probability estimation model shown in the above formula (1), the treatment probability estimation unit 204 first obtains θ p0 , the average vector of feature quantity x n S where a n S = 0, and θ p1 , the average vector of feature quantity x n S where a n S = 1. Next, the treatment probability estimation unit 204 estimates the treatment probability π(x n S ) using the treatment probability estimation model shown in the above formula (1). This obtains a set of treatment probabilities {π(x n S )|n=1, ..., N S }.

次に、結果推定部205は、結果推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x 及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する(ステップS105)。すなわち、結果推定部205は、まず結果推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ結果推定モデルにより特徴量x 及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する。 Next, the result estimation unit 205 estimates the feature x n S and the result for the action aε{0, 1} when the result estimation model is adapted to the support set S (step S105). That is, the result estimation unit 205 first estimates task-specific parameters of the result estimation model, and then estimates the feature x n S and the result for the action aε{0, 1} using the result estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(2)に示す結果推定モデルを用いる場合、結果推定部205は、まず、a←a に対して、μ(x )とそれに対応する結果y とが近くなるようにタスク特化パラメータθを推定する。これは、例えば、最小二乗法等により解析的に求めることができる。次に、結果推定部205は、上記の式(2)に示す結果推定モデルにより結果μ(x )を推定する。これにより、結果の集合{{μ(x )|n=1,・・・,N}|a=0,1}が得られる。 For example, when using the result estimation model shown in the above equation (2), the result estimation unit 205 first estimates the task-specific parameter θ a for a←a n S so that μ a (x n S ) and the corresponding result y n S are close to each other. This can be analytically determined, for example, by the least squares method. Next, the result estimation unit 205 estimates the result μ a (x n S ) using the result estimation model shown in the above equation (2). This results in a set of results {{μ a (x n S )|n=1, ..., N S }|a=0, 1}.

次に、疑似結果推定部206は、上記のステップS104で推定された処置確率と、上記のステップS105で推定された結果と、サポートセットSとを用いて、特徴量x に対する疑似結果を推定する(ステップS106)。 Next, the pseudo result estimation unit 206 estimates a pseudo result for the feature x n S using the treatment probability estimated in the above step S104, the result estimated in the above step S105, and the support set S (step S106).

例えば、疑似結果推定部206は、処置確率π(x )と、結果μ(x )及びμ(x )と、サポートセットSに含まれる(x ,a ,y )とを用いて、上記の式(3)により疑似結果 を推定する。これにより、疑似結果の集合{ |n=1,・・・,N}が得られる。 For example, the pseudo-result estimation unit 206 estimates the pseudo-result ∼ ynS by the above formula (3) using the treatment probability π(xnS), the results μ0(xnS ) and μ1 ( xnS ) , and ( xnS , anS , ynS ) included in the support set S. This results in a set of pseudo-results { ynS | n = 1 , ..., Ns }.

次に、因果効果推定部207は、因果効果推定モデルをサポートセットSに適合させたときの特徴量x の因果効果を推定する(ステップS107)。すなわち、因果効果推定部207は、まず因果効果推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ因果効果推定モデルにより特徴量x の因果効果を推定する。 Next, the causal effect estimation unit 207 estimates the causal effect of the feature x n q when the causal effect estimation model is adapted to the support set S (step S107). That is, the causal effect estimation unit 207 first estimates task-specific parameters of the causal effect estimation model, and then estimates the causal effect of the feature x n q using the causal effect estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(4)に示す因果効果推定モデルを用いる場合、因果効果推定部207は、まず、因果効果推定値τ(x )とそれに対応する疑似結果 とが近くなるようにタスク特化パラメータθを推定する。これは、例えば、最小二乗法等により解析的に求めることができる。次に、因果効果推定部207は、上記の式(4)に示す因果効果推定モデルにより因果効果推定値τ(x )を推定する。これにより、因果効果推定値の集合{τ(x )|n=1,・・・,N}が得られる。 For example, when using the causal effect estimation model shown in the above formula (4), the causal effect estimation unit 207 first estimates the task-specific parameter θ y so that the causal effect estimate τ(x n S ) and the corresponding pseudo result yn S are close to each other. This can be analytically determined, for example, by the least squares method. Next, the causal effect estimation unit 207 estimates the causal effect estimate τ(x n q ) using the causal effect estimation model shown in the above formula (4). This obtains a set of causal effect estimates {τ(x n q )|n=1, ..., N q }.

次に、メタ学習部203は、上記のステップS107で推定された因果効果推定値と、それに対応する疑似因果効果とが近くなるように、タスク共通パラメータを更新する(ステップS108)。 Next, the meta-learning unit 203 updates the task-common parameters so that the causal effect estimate estimated in step S107 above and the corresponding pseudo-causal effect become closer (step S108).

例えば、メタ学習部203は、因果効果推定値τ(x )と、それに対応する疑似因果効果τ とが近くなるように、タスク共通パラメータφ,φ,φを更新する。これは、例えば、勾配法等といった最適化法により実現することができる。 For example, the meta-learning unit 203 updates the task-common parameters φ p , φ a , and φ y so that the causal effect estimate τ(x n q ) and the corresponding pseudo-causal effect τ n q become closer to each other. This can be achieved by using an optimization method such as a gradient method.

次に、メタ学習部203は、予め決められた所定の終了条件を満たすか否かを判定する(ステップS109)。 Next, the meta learning unit 203 determines whether a predetermined termination condition is met (step S109).

上記のステップS109で終了条件を満たさないと判定された場合、メタ学習部203は、ステップS103に戻る。これにより、当該終了条件を満たすまでステップS103~ステップS108が繰り返し実行される。一方で、上記のステップS109で終了条件を満たすと判定された場合、メタ学習部203は、メタ学習処理を終了する。これにより、学習済みのタスク共通パラメータが得られる。 If it is determined in step S109 above that the termination condition is not met, the meta-learning unit 203 returns to step S103. As a result, steps S103 to S108 are repeatedly executed until the termination condition is met. On the other hand, if it is determined in step S109 above that the termination condition is met, the meta-learning unit 203 terminates the meta-learning process. As a result, learned task-common parameters are obtained.

なお、上記の終了条件としては、例えば、「タスク共通パラメータの更新量が所定の閾値未満となったこと」、「ステップS103~ステップS108の繰り返し回数が所定の閾値以上となったこと」、「目的関数(例えば、因果効果推定値と疑似因果効果の二乗誤差や平均二乗誤差等)の値の減少量が所定の閾値未満となったこと」等を用いることができる。 The above termination conditions can be, for example, "the update amount of the task common parameters is less than a predetermined threshold," "the number of repetitions of steps S103 to S108 is greater than or equal to a predetermined threshold," or "the decrease in the value of the objective function (e.g., the squared error or mean squared error between the causal effect estimate and the pseudo-causal effect) is less than a predetermined threshold."

<予測処理>
以下、本実施形態に係る予測処理の一例について、図4を参照しながら説明する。なお、以下では、タスク共通パラメータは学習済みであるものとする。
<Prediction processing>
An example of the prediction process according to this embodiment will be described below with reference to Fig. 4. Note that in the following, it is assumed that the task-common parameters have already been learned.

まず、入力部201は、与えられたサポートセットS'={(x S',a S',y S')|n=1,・・・,NS'}と、処置及び結果が未知の特徴量x'とを入力する(ステップS201)。 First, the input unit 201 inputs a given support set S'={( xnS ' , anS ' , ynS ' )|n=1, . . . , N S' } and a feature x' whose treatment and result are unknown (step S201).

次に、処置確率推定部204は、処置確率推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x S'に対する処置確率を推定する(ステップS202)。すなわち、処置確率推定部204は、まず処置確率推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ処置確率推定モデルにより特徴量x S'に対する処置確率を推定する。 Next, the treatment probability estimation unit 204 estimates the treatment probability for the feature x n S' when the treatment probability estimation model is adapted to the support set S' (step S202). That is, the treatment probability estimation unit 204 first estimates task-specific parameters of the treatment probability estimation model, and then estimates the treatment probability for the feature x n S' using the treatment probability estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(1)に示す処置確率推定モデルを用いる場合、処置確率推定部204は、まずa S'=0である特徴量x S'の平均ベクトルをθp0とa S'=1である特徴量x S'の平均ベクトルをθp1とを求める。次に、処置確率推定部204は、上記の式(1)に示す処置確率推定モデルより処置確率π(x S')を推定する。これにより、処置確率の集合{π(x S')|n=1,・・・,NS'}が得られる。 For example, when using the treatment probability estimation model shown in the above formula (1), the treatment probability estimation unit 204 first obtains θ p0 , the average vector of the feature x n S' where a n S' = 0, and θ p1 , the average vector of the feature x n S' where a n S' = 1. Next, the treatment probability estimation unit 204 estimates the treatment probability π(x n S' ) using the treatment probability estimation model shown in the above formula (1). This obtains a set of treatment probabilities {π(x n S' )|n=1, ..., N S' }.

次に、結果推定部205は、結果推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x S'及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する(ステップS203)。すなわち、結果推定部205は、まず結果推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ結果推定モデルにより特徴量x S'及び処置a∈{0,1}に対する結果を推定する。 Next, the result estimation unit 205 estimates the feature x n S′ and the result for the action aε{0, 1} when the result estimation model is adapted to the support set S′ (step S203). That is, the result estimation unit 205 first estimates task-specific parameters of the result estimation model, and then estimates the feature x n S′ and the result for the action aε{0, 1} using the result estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(2)に示す結果推定モデルを用いる場合、結果推定部205は、まず、a←a S'に対して、μ(x S')とそれに対応する結果y S'とが近くなるようにタスク特化パラメータθを推定する。これは、例えば、最小二乗法等により解析的に求めることができる。次に、結果推定部205は、上記の式(2)に示す結果推定モデルにより結果μ(x S')を推定する。これにより、結果の集合{{μ(x S')|n=1,・・・,NS'}|a=0,1}が得られる。 For example, when using the result estimation model shown in the above equation (2), the result estimation unit 205 first estimates the task-specific parameter θ a for a←a n S' so that μ a (x n S' ) and the corresponding result y n S' are close to each other. This can be analytically determined, for example, by the least squares method. Next, the result estimation unit 205 estimates the result μ a (x n S' ) using the result estimation model shown in the above equation ( 2). This results in a set of results {{μ a ( x n S' )|n=1, ..., N S' }|a=0, 1}.

次に、疑似結果推定部206は、上記のステップS202で推定された処置確率と、上記のステップS203で推定された結果と、サポートセットS'とを用いて、特徴量x S'に対する疑似結果を推定する(ステップS204)。 Next, the pseudo result estimation unit 206 estimates a pseudo result for the feature x n S′ using the treatment probability estimated in the above step S202, the result estimated in the above step S203, and the support set S′ (step S204).

例えば、疑似結果推定部206は、処置確率π(x S')と、結果μ(x S')及びμ(x S')と、サポートセットS'に含まれる(x S',a S',y S')とを用いて、上記の式(3)により疑似結果 S'を推定する。これにより、疑似結果の集合{ S'|n=1,・・・,NS'}が得られる。 For example, the pseudo-result estimation unit 206 estimates the pseudo-result ∼ ynS' using the treatment probability π( xnS ' ), the outcomes μ0 ( xnS ' ), μ1 ( xnS ' ), and ( xnS ' , anS ' , ynS ' ) included in the support set S' using the above formula (3). This results in a set of pseudo-results {∼ ynS ' | n= 1 , ..., Ns' }.

次に、因果効果推定部207は、因果効果推定モデルをサポートセットS'に適合させたときの特徴量x'の因果効果を推定する(ステップS205)。すなわち、因果効果推定部207は、まず因果効果推定モデルのタスク特化パラメータを推定した上で、このタスク特化パラメータを持つ因果効果推定モデルにより特徴量x'の因果効果を推定する。Next, the causal effect estimation unit 207 estimates the causal effect of the feature x' when the causal effect estimation model is adapted to the support set S' (step S205). That is, the causal effect estimation unit 207 first estimates the task-specific parameters of the causal effect estimation model, and then estimates the causal effect of the feature x' using the causal effect estimation model having these task-specific parameters.

例えば、上記の式(4)に示す因果効果推定モデルを用いる場合、因果効果推定部207は、まず、因果効果推定値τ(x S')とそれに対応する疑似結果 S'とが近くなるようにタスク特化パラメータθを推定する。これは、例えば、最小二乗法等により解析的に求めることができる。次に、因果効果推定部207は、上記の式(4)に示す因果効果推定モデルにより因果効果推定値τ(x')を推定する。これにより、処置及び結果が未知の特徴量x'の因果効果推定値τ(x')が得られる。 For example, when using the causal effect estimation model shown in the above formula (4), the causal effect estimation unit 207 first estimates the task-specific parameter θ y so that the causal effect estimate τ(x n S' ) and the corresponding pseudo result y n S' are close to each other. This can be analytically determined, for example, by the least squares method. Next, the causal effect estimation unit 207 estimates the causal effect estimate τ(x') using the causal effect estimation model shown in the above formula (4). This obtains the causal effect estimate τ(x') for the feature quantity x' whose treatment and outcome are unknown.

そして、出力部208は、上記のステップS205で推定された因果効果推定値τ(x')を予め決められた所定の出力先に出力する(ステップS206)。 Then, the output unit 208 outputs the causal effect estimate τ(x') estimated in step S205 above to a predetermined output destination (step S206).

<評価>
本実施形態に係るメタ学習装置10を評価するため、人工データを用いて既存手法と比較を行った。既存手法としては、既存のメタ学習法、マルチタスク学習法、タスク毎学習法を採用した。
<Evaluation>
To evaluate the meta-learning device 10 according to this embodiment, we used artificial data to compare it with existing methods. As existing methods, we adopted the existing meta-learning method, multi-task learning method, and task-specific learning method.

また、評価指標としては因果効果推定値とその正解との平均二乗誤差を採用した。評価結果(平均と標準偏差)を以下の表1に示す。 The evaluation index used was the mean squared error between the estimated causal effect and the correct answer. The evaluation results (mean and standard deviation) are shown in Table 1 below.

ここで、提案手法が本実施形態に係るメタ学習装置10を表す。 Here, the proposed method represents the meta-learning device 10 according to this embodiment.

上記の表1に示されるように、本実施形態に係るメタ学習装置10は、既存手法と比較して低い誤差を達成できていることがわかる。 As shown in Table 1 above, it can be seen that the meta-learning device 10 of this embodiment achieves a lower error compared to existing methods.

<まとめ>
以上のように、本実施形態に係るメタ学習装置10は、複数のタスクの学習用データセットが与えられたときに、各タスクの学習用データセットからサポートセットSとクエリセットQを作成した上で、複数の異なる機械学習手法でそれぞれ実現される複数のモデルに適合させてタスク特化パラメータを推定する。そして、本実施形態に係るメタ学習装置10は、最終的な予測結果とその疑似的な正解とが近くなるように、各モデルのタスク共通パラメータを推定する。これにより、複数の機械学習手法を組み合わせて予測する手法において、目的タスクの学習用データが少量しか与えられていない場合であっても、目的タスクで高い性能を達成することができるようになる。
<Summary>
As described above, when given training datasets for multiple tasks, the meta-learning device 10 of this embodiment creates a support set S and a query set Q from the training datasets for each task, and then estimates task-specific parameters by fitting them to multiple models realized by multiple different machine learning methods. The meta-learning device 10 of this embodiment then estimates task-common parameters for each model so that the final prediction result is close to its pseudo-ground truth. This makes it possible to achieve high performance on a target task in a prediction method that combines multiple machine learning methods, even when only a small amount of training data for the target task is provided.

なお、上記の実施形態では、処置確率推定モデルのタスク特化パラメータを処置確率推定部204が推定したが、処置確率推定モデルのタスク特化パラメータはメタ学習部203によって推定されてもよい。同様に、結果推定モデルのタスク特化パラメータを結果推定部205が推定したが、結果推定モデルのタスク特化パラメータはメタ学習部203によって推定されてもよい。同様に、因果効果推定モデルのタスク特化パラメータを因果効果推定部207が推定したが、因果効果推定モデルのタスク特化パラメータはメタ学習部203によって推定されてもよい。 In the above embodiment, the task-specific parameters of the treatment probability estimation model were estimated by the treatment probability estimation unit 204, but the task-specific parameters of the treatment probability estimation model may also be estimated by the meta-learning unit 203. Similarly, the task-specific parameters of the result estimation model were estimated by the result estimation unit 205, but the task-specific parameters of the result estimation model may also be estimated by the meta-learning unit 203. Similarly, the task-specific parameters of the causal effect estimation model were estimated by the causal effect estimation unit 207, but the task-specific parameters of the causal effect estimation model may also be estimated by the meta-learning unit 203.

本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から逸脱することなく、種々の変形や変更、既知の技術との組み合わせ等が可能である。 The present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments above, and various modifications, alterations, and combinations with known technologies are possible without departing from the scope of the claims.

10 メタ学習装置
101 入力装置
102 表示装置
103 外部I/F
103a 記録媒体
104 通信I/F
105 RAM
106 ROM
107 補助記憶装置
108 プロセッサ
109 バス
201 入力部
202 疑似因果効果推定部
203 メタ学習部
204 処置確率推定部
205 結果推定部
206 疑似結果推定部
207 因果効果推定部
208 出力部
209 記憶部
10 Meta-learning device 101 Input device 102 Display device 103 External I/F
103a Recording medium 104 Communication I/F
105 RAM
106 ROM
107 Auxiliary storage device 108 Processor 109 Bus 201 Input unit 202 Pseudo causal effect estimation unit 203 Meta-learning unit 204 Treatment probability estimation unit 205 Outcome estimation unit 206 Pseudo result estimation unit 207 Causal effect estimation unit 208 Output unit 209 Storage unit

Claims (8)

複数のタスクの学習用データセットを入力する第1の入力手順と、
前記複数のタスクから一のタスクを選択する選択手順と、
前記一のタスクの学習用データセットの少なくとも一部の学習用データで構成されるサポートセットと、前記学習用データセットの少なくとも一部の学習用データに含まれる特徴量で構成されるクエリセットとを作成する作成手順と、
複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク毎のパラメータを表す第1のパラメータを前記サポートセットに適合するように推定する第1の推定手順と、
前記複数の機械学習モデルを組み合わせて前記クエリセットに含まれる第1の特徴量から予測した予測値と、前記予測値に対する教師データとの誤差が小さくなるように、前記複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク共通のパラメータを表す第2のパラメータを学習する学習手順と、
をコンピュータが実行するメタ学習方法。
a first input step of inputting training datasets for multiple tasks;
a selection step of selecting one task from the plurality of tasks;
a creation step of creating a support set consisting of at least a portion of training data in a training dataset for the one task, and a query set consisting of features included in at least a portion of the training data in the training dataset;
a first estimation procedure for estimating first parameters representing parameters for each task among parameters of each of a plurality of machine learning models so as to conform to the support set;
a learning procedure for learning a second parameter representing a task-common parameter among parameters possessed by each of the plurality of machine learning models, so that an error between a predicted value predicted from a first feature included in the query set by combining the plurality of machine learning models and training data for the predicted value is small;
A meta-learning method performed by a computer.
目的タスクのデータで構成されるデータセットと、前記目的タスクで予測値の予測対象となる第2の特徴量とを入力する第2の入力手順と、
前記複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、前記第1のパラメータを前記データセットに適合するように推定する第2の推定手順と、
前記複数の機械学習モデルを組み合わせて前記第2の特徴量から予測値を予測する予測手順と、
を前記コンピュータが更に実行する、請求項1に記載のメタ学習方法。
a second input step of inputting a dataset consisting of data of a target task and a second feature quantity whose predicted value is to be predicted in the target task;
a second estimation procedure for estimating the first parameter among parameters of each of the plurality of machine learning models so as to fit the dataset;
a prediction step of predicting a predicted value from the second feature amount by combining the plurality of machine learning models;
The meta-learning method of claim 1 , further comprising the steps of:
前記学習用データには、前記第1の特徴量と、前記第1の特徴量が表す特徴を持つ対象に対する処置と、前記対象の結果とが対応付けて含まれており、
前記複数の機械学習モデルには、特徴量を入力して処置が行われた確率を推定する処置確率推定モデルと、特徴量と処置を入力して結果を推定する結果推定モデルと、特徴量を入力して前記予測値として因果効果を推定する因果効果推定モデルとが含まれる、請求項1又は2に記載のメタ学習方法。
the learning data includes the first feature amount, a treatment for an object having a feature represented by the first feature amount, and a result of the object, in association with each other;
3. The meta-learning method according to claim 1, wherein the plurality of machine learning models include a treatment probability estimation model that receives input features and estimates the probability that a treatment has been performed, an outcome estimation model that receives input features and a treatment and estimates an outcome, and a causal effect estimation model that receives input features and estimates a causal effect as the predicted value.
前記処置確率推定モデルは前記第1のパラメータθと前記第2のパラメータφ、前記結果推定モデルは前記第1のパラメータθと前記第2のパラメータφ、前記因果効果推定モデルは前記第1のパラメータθと前記第2のパラメータφをそれぞれ持ち、
前記第1の推定手順は、
前記第1のパラメータθと前記第1のパラメータθと前記第1のパラメータθとを前記サポートセットに適合するように推定し、
前記学習手順は、
前記誤差が小さくなるように、前記第2のパラメータφと前記第2のパラメータφと前記第2のパラメータφとを学習する、請求項3に記載のメタ学習方法。
the treatment probability estimation model has the first parameter θ p and the second parameter φ p , the outcome estimation model has the first parameter θ a and the second parameter φ a , and the causal effect estimation model has the first parameter θ y and the second parameter φ y ;
The first estimation procedure includes:
Estimating the first parameters θ p , θ a, and θ y to fit the support set;
The learning procedure includes:
The meta-learning method according to claim 3 , wherein the second parameters φ p, φ a, and φ y are learned so as to reduce the error.
前記第1の特徴量を前記処置確率推定モデルに入力して推定された確率と、前記第1の特徴量と処置が取り得る値とを前記結果推定モデルに入力して推定された結果とを用いて、疑似的な結果を推定する疑似結果推定手順、を前記コンピュータが更に実行し、
前記第1の推定手順は、
同一の処置に対応付けられている前記第1の特徴量の平均を前記第1のパラメータθとして推定し、
前記第1の特徴量と前記第1の特徴量に対応付けられている処置とを前記結果推定モデルに入力して推定された結果と、前記第1の特徴量に対応付けられている結果との誤差が小さくなるように、前記第1のパラメータθを推定し、
前記第1の特徴量を前記因果効果推定モデルに入力して推定された因果効果と、前記疑似的な結果との誤差が小さくなるように、前記第1のパラメータθを推定する、請求項4に記載のメタ学習方法。
the computer further executes a pseudo-outcome estimation step of estimating a pseudo-outcome using a probability estimated by inputting the first feature into the treatment probability estimation model and a result estimated by inputting the first feature and a possible value of the treatment into the outcome estimation model;
The first estimation procedure includes:
an average of the first feature amounts associated with the same treatment is estimated as the first parameter θ p ;
estimating the first parameter θ a so as to reduce an error between a result estimated by inputting the first feature amount and a treatment associated with the first feature amount into the result estimation model and a result associated with the first feature amount;
5. The meta-learning method according to claim 4, wherein the first parameter θy is estimated so as to reduce an error between the pseudo result and a causal effect estimated by inputting the first feature into the causal effect estimation model.
因果推定手法により、前記学習用データに含まれる前記第1の特徴量と前記結果との間の疑似的な因果効果を前記教師データとして推定する疑似因果効果推定手順、を前記コンピュータが更に実行する、請求項5に記載のメタ学習方法。 The meta-learning method described in claim 5, wherein the computer further executes a pseudo-causal effect estimation procedure that uses a causal estimation method to estimate a pseudo-causal effect between the first feature contained in the learning data and the result as the training data. 複数のタスクの学習用データセットを入力する第1の入力部と、
前記複数のタスクから一のタスクを選択する選択部と、
前記一のタスクの学習用データセットの少なくとも一部の学習用データで構成されるサポートセットと、前記学習用データセットの少なくとも一部の学習用データに含まれる特徴量で構成されるクエリセットとを作成する作成部と、
複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク毎のパラメータを表す第1のパラメータを前記サポートセットに適合するように推定する第1の推定部と、
前記複数の機械学習モデルを組み合わせて前記クエリセットに含まれる第1の特徴量から予測した予測値と、前記予測値に対する教師データとの誤差が小さくなるように、前記複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク共通のパラメータを表す第2のパラメータを学習する学習部と、
を有するメタ学習装置。
a first input unit for inputting training datasets for a plurality of tasks;
a selection unit that selects one task from the plurality of tasks;
a creation unit that creates a support set configured with at least a portion of training data of a training dataset for the one task, and a query set that is configured with features included in at least a portion of the training data of the training dataset;
a first estimation unit that estimates first parameters representing parameters for each task among parameters possessed by each of a plurality of machine learning models so as to conform to the support set;
a learning unit that learns a second parameter representing a task-common parameter among parameters possessed by each of the plurality of machine learning models so as to reduce an error between a predicted value predicted from a first feature included in the query set by combining the plurality of machine learning models and training data for the predicted value;
A meta-learning device having
複数のタスクの学習用データセットを入力する第1の入力手順と、
前記複数のタスクから一のタスクを選択する選択手順と、
前記一のタスクの学習用データセットの少なくとも一部の学習用データで構成されるサポートセットと、前記学習用データセットの少なくとも一部の学習用データに含まれる特徴量で構成されるクエリセットとを作成する作成手順と、
複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク毎のパラメータを表す第1のパラメータを前記サポートセットに適合するように推定する第1の推定手順と、
前記複数の機械学習モデルを組み合わせて前記クエリセットに含まれる第1の特徴量から予測した予測値と、前記予測値に対する教師データとの誤差が小さくなるように、前記複数の機械学習モデルの各々が持つパラメータのうち、タスク共通のパラメータを表す第2のパラメータを学習する学習手順と、
をコンピュータに実行させるプログラム。
a first input step of inputting training datasets for multiple tasks;
a selection step of selecting one task from the plurality of tasks;
a creation step of creating a support set consisting of at least a portion of training data in a training dataset for the one task, and a query set consisting of features included in at least a portion of the training data in the training dataset;
a first estimation procedure for estimating first parameters representing parameters for each task among parameters of each of a plurality of machine learning models so as to conform to the support set;
a learning procedure for learning a second parameter representing a task-common parameter among parameters possessed by each of the plurality of machine learning models, so that an error between a predicted value predicted from a first feature included in the query set by combining the plurality of machine learning models and training data for the predicted value is small;
A program that causes a computer to execute the following.
JP2024572812A 2023-01-27 2023-01-27 Meta-learning method, meta-learning device, and program Active JP7761166B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2023/002724 WO2024157481A1 (en) 2023-01-27 2023-01-27 Meta-learning method, meta-learning device, and program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2024157481A1 JPWO2024157481A1 (en) 2024-08-02
JP7761166B2 true JP7761166B2 (en) 2025-10-28

Family

ID=91970120

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2024572812A Active JP7761166B2 (en) 2023-01-27 2023-01-27 Meta-learning method, meta-learning device, and program

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7761166B2 (en)
WO (1) WO2024157481A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200257970A1 (en) 2019-02-08 2020-08-13 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Data processing apparatus by learning of neural network, data processing method by learning of neural network, and recording medium recording the data processing method
WO2022009275A1 (en) 2020-07-06 2022-01-13 日本電信電話株式会社 Training method, training device, and program
WO2022234674A1 (en) 2021-05-07 2022-11-10 日本電信電話株式会社 Learning device, prediction device, learning method, prediction method, and program

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200257970A1 (en) 2019-02-08 2020-08-13 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Data processing apparatus by learning of neural network, data processing method by learning of neural network, and recording medium recording the data processing method
WO2022009275A1 (en) 2020-07-06 2022-01-13 日本電信電話株式会社 Training method, training device, and program
WO2022234674A1 (en) 2021-05-07 2022-11-10 日本電信電話株式会社 Learning device, prediction device, learning method, prediction method, and program

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IWATA, T., et al.,Meta-learning from tasks with heterogeneous attribute spaces,Proceedings of the 34th International Conference on Neural Information Processing Systems [online],2020年12月06日,No. 508,[取得日 2023.03.27], 取得先 <https://dl.acm.org/doi/abs/10.5555/3495724.3496232>

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024157481A1 (en) 2024-08-02
JPWO2024157481A1 (en) 2024-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110084368B (en) Systems and methods for regularizing neural networks
JP2019164793A5 (en)
US11556785B2 (en) Generation of expanded training data contributing to machine learning for relationship data
CA3088689C (en) Finite rank deep kernel learning for robust time series forecasting and regression
Kiaee et al. Relevance vector machine for survival analysis
CN109934343A (en) Artificial Neural Network Optimization Method, System and Device Based on Orthogonal Projection Matrix
CN111052122A (en) Analog quantum circuits
KR102215978B1 (en) Distributed asynchronous parallelized ensemble model training and inference system on the blockchain network and method thereof
JP7279225B2 (en) METHOD, INFORMATION PROCESSING DEVICE, AND PROGRAM FOR TRANSFER LEARNING WHILE SUPPRESSING CATASTIC FORGETTING
US11620525B2 (en) Dropout for accelerated deep learning in heterogeneous architectures
JP7283065B2 (en) Estimation device, optimization device, estimation method, optimization method, and program
WO2021105313A1 (en) Parallelised training of machine learning models
JP7181454B2 (en) Optimization device, optimization device control method, and optimization device control program
JP7172067B2 (en) Learning program, learning method and learning device
JP7761166B2 (en) Meta-learning method, meta-learning device, and program
KR102559605B1 (en) Method and apparatus for function optimization
WO2021064931A1 (en) Knowledge tracing device, method, and program
JP6743902B2 (en) Multitask relationship learning system, method and program
CN118429004B (en) Commodity order forecasting methods and related products in supply chain networks
JP6662715B2 (en) Prediction device, prediction method and program
JP7435883B1 (en) Prediction device with noise removal, prediction method with noise removal, and program
JP7472998B2 (en) Parameter estimation device, secret parameter estimation system, secure computing device, methods thereof, and programs
CN120188170A (en) Hardware-aware generation of machine learning models
JP7775179B2 (en) Method, information processing device, and program for performing transfer learning while suppressing the occurrence of catastrophic forgetting
KR102673097B1 (en) Method and apparatus for time series forecasting using signal decomposition and relational inference

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20250319

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250916

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250929

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7761166

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150