IMDb データセットによる学習と分類（TensorFlow データセット，TensorFlow，Python を使用）（Windows 上，Google Colaboratroy の両方を記載）

ニューラルネットワークの作成，学習，データの2クラス分類を行う． IMDb データセットを使用する．

【目次】

Google Colaboratory での実行
Windows での実行
IMDb データセットのロード
IMDb データセットの確認
Keras を用いたニューラルネットワークの作成
ニューラルネットワークの学習と検証

関連の用語集: https://www.kkaneko.jp/tools/man/man.html．

【関連する外部ページ】

「https://keras.io/ja/」の「30 秒で Keras に入門しましょう」
TensorFlow のチュートリアルの Web ページ: https://www.tensorflow.org/tutorials/quickstart

1. Google Colaboratory での実行

Google Colaboratory のページ:

次のリンクをクリックすると，Google Colaboratory のノートブックが開く．そして，Google アカウントでログインすると，Google Colaboratory のノートブック内のコード等を編集したり再実行したりができる．編集した場合でも，他の人に影響が出たりということはない．そして，編集後のものを，各自の Google ドライブ内に保存することもできる．

https://colab.research.google.com/drive/1hBMPOyUaDCTNYqOcHoQRiilznK728r_T?usp=sharing

2. Windows での実行

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動するとPATHが反映される。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

方法 2：インストーラーによるインストール

Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
ダウンロードしたインストーラーを実行する。
初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Git のインストール

管理者権限のコマンドプロンプトで以下を実行する。管理者権限のコマンドプロンプトを起動するには、Windows キーまたはスタートメニューから「cmd」と入力し、表示された「コマンドプロンプト」を右クリックして「管理者として実行」を選択する。

REM Git をシステム領域にインストール
winget install --scope machine --id Git.Git -e --silent --disable-interactivity --force --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/VERYSILENT /NORESTART /NOCANCEL /SP- /CLOSEAPPLICATIONS /RESTARTAPPLICATIONS /COMPONENTS=""icons,ext\reg\shellhere,assoc,assoc_sh"" /o:PathOption=Cmd /o:CRLFOption=CRLFCommitAsIs /o:BashTerminalOption=MinTTY /o:DefaultBranchOption=main /o:EditorOption=VIM /o:SSHOption=OpenSSH /o:UseCredentialManager=Enabled /o:PerformanceTweaksFSCache=Enabled /o:EnableSymlinks=Disabled /o:EnableFSMonitor=Disabled"

【関連する外部ページ】

Git の公式ページ: https://git-scm.com/

TensorFlow 2.10.1 のインストール（Windows 上）

以下の手順を管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

TensorFlow 2.10.1 のインストール（Windows 上）

次のコマンドを実行することにより，TensorFlow 2.10.1 および関連パッケージ（tf_slim，tensorflow_datasets，tensorflow-hub，Keras，keras-tuner，keras-visualizer）がインストール（インストール済みのときは最新版に更新）される．そして，Pythonライブラリ（Pillow, pydot, matplotlib, seaborn, pandas, scipy, scikit-learn, scikit-learn-intelex, opencv-python, opencv-contrib-python）がインストール（インストール済みのときは最新版に更新）される．

python -m pip uninstall -y protobuf tensorflow tensorflow-cpu tensorflow-gpu tensorflow-intel tensorflow-text tensorflow-estimator tf-models-official tf_slim tensorflow_datasets tensorflow-hub keras keras-tuner keras-visualizer
python -m pip install -U protobuf tensorflow==2.10.1 tf_slim tensorflow_datasets==4.8.3 tensorflow-hub tf-keras keras keras_cv keras-tuner keras-visualizer
python -m pip install git+https://github.com/tensorflow/docs
python -m pip install git+https://github.com/tensorflow/examples.git
python -m pip install git+https://www.github.com/keras-team/keras-contrib.git
python -m pip install -U pillow pydot matplotlib seaborn pandas scipy scikit-learn scikit-learn-intelex opencv-python opencv-contrib-python

Graphviz のインストール

Windows での Graphviz のインストール: 別ページ »で説明

numpy，matplotlib, seaborn, scikit-learn, pandas, pydot のインストール

次のコマンドを管理者権限のコマンドプロンプトで実行する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

python -m pip install -U numpy matplotlib seaborn scikit-learn pandas pydot

IMDb データセットのロード

Python 3.12 のインストール

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

方法 2：インストーラーによるインストール

Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
ダウンロードしたインストーラーを実行する。
初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

[Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順

1. VS Code と拡張機能のインストール

以下のコマンドにより，既存の VS Code を削除し，全ユーザー共有の設定で再インストールしたうえで，拡張機能（VS Code に機能を追加するソフトウェア）をまとめて導入する．

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windows キーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして，コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

インストールコマンド


REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

2. Python インタプリタの選択

同一マシンに複数の Python がインストールされている場合，VS Code で使用する Python 本体（インタプリタ：Python プログラムを解釈・実行するソフトウェア）を選択する必要がある．

コマンドパレット（コマンド名で機能を呼び出す VS Code の入力欄）を開く（Ctrl+Shift+P）
Python: Select Interpreter と入力する
表示される一覧から，使用する Python（例：C:\Program Files\Python312\python.exe）を選択する．

パッケージのインポート，TensorFlow のバージョン確認など

from __future__ import absolute_import, division, print_function, unicode_literals
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import layers
from tensorflow.keras import backend as K 
K.clear_session()
import numpy as np
import tensorflow_datasets as tfds
from tensorflow.keras.preprocessing import image

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings

# TensorFlow のバージョン
print(tf.__version__)

# GPU を利用しているか
gpus = tf.config.list_physical_devices(device_type = 'GPU')
if len(gpus)>0:
    print(f">> GPU detected. {gpus[0].name}")
    tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)

IMDb データセットのロード
x_train: 25000件のデータ，批評文
y_train: 25000件のデータ，ラベル（ラベルの値は 0 または 1）
x_test: 25000件のデータ，批評文
y_test: 25000件のデータ，ラベル（ラベルの値は 0 または 1）
IMDb での映画の批評は，批評文とスコア（１０点満点）である．
IMDb の URL: https://www.imdb.com/
IMDb データセットでは，7点以上の批評は positive，4点以下の批評は negative としている．つまり，2種類ある．そして，IMDb データセットには，positive か negative の批評のみが含まれている（中間の点数である 5点，6点のものは含まれていない）．そして， positive，negative の批評が同数である．学習用として，positive，negative がそれぞれ 25000．テスト用として，positive，negative がそれぞれ 25000．
IMDb データセットのURL: https://ai.stanford.edu/%7Eamaas/data/sentiment/
```
imdb = tf.keras.datasets.imdb
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = imdb.load_data(num_words=10000)
```

IMDb データセットの確認

IMDb データセット要素数の確認

print(len(x_train))
print(len(y_train))
print(len(x_test))
print(len(y_test))

IMDb データセットの確認

まず，単語を整数にマッピングするなどを行う．

# 単語を整数にマッピングする辞書
word_index = imdb.get_word_index()

# インデックスの最初の方は予約済み
word_index = {k:(v+3) for k,v in word_index.items()}
word_index["<PAD>"] = 0
word_index["<START>"] = 1
word_index["<UNK>"] = 2  # unknown
word_index["<UNUSED>"] = 3

reverse_word_index = dict([(value, key) for (key, value) in word_index.items()])

def decode_review(text):
    return ' '.join([reverse_word_index.get(i, '?') for i in text])

批評文の確認

0番目の批評文とその単語数を表示．

x_train は費用文のデータセットである． x_train[0] は 0 番目の批評文である．批評文は整数のリストになっている．それぞれの整数は，単語をコード化したものである．それぞれの整数を decode_review を使って単語に変換．

print(decode_review(x_train[0]))
print(len(x_train[0]))

1番目の批評文とその単語数を表示．

print(decode_review(x_train[1]))
print(len(x_train[1]))

ラベルの確認

print(y_train[0])

print(y_train[1])

Keras を用いたニューラルネットワークの作成

ニューラルネットワークを使うために，データの前処理
パッデングを行う．批評文のそれぞれは長さが異なるのを，同じ長さ 256 にそろえる．
詳細は https://www.tensorflow.org/tutorials/keras/text_classification?hl=ja に説明がある．
```
x_train = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(x_train, value=word_index["<PAD>"], padding='post', maxlen=256)
x_test = tf.keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(x_test, value=word_index["<PAD>"], padding='post', maxlen=256)
```

x_train, y_train の確認

print(x_train)
print(len(x_train[0]))

print(y_train)
print(len(y_train))

ニューラルネットワークの作成と確認とコンパイル

ニューラルネットワークの種類：層構造 (Sequential Model)
１番目の層: embedding
２番めの層: 平均プーリング
３番目の層: sigmoid, 値は確率を表す 0 から 1 の間の浮動小数点数

# 入力の形式は映画レビューで使われている語彙数（10,000語）
VOCAB_SIZE = 10000

m = tf.keras.Sequential(
    [
        layers.Embedding(VOCAB_SIZE, 16),
        layers.GlobalAveragePooling1D(),
        layers.Dense(16, activation='relu'),
        layers.Dense(1, activation=tf.nn.sigmoid)
    ]
)
m.summary()

モデルのビジュアライズ
Keras のモデルのビジュアライズについては: https://keras.io/ja/visualization/
ここでの表示で，エラーメッセージが出る場合でも，モデル自体は問題なくできていると考えられる．続行する．
```
from tensorflow.keras.utils import plot_model
import pydot
plot_model(m)
```

ニューラルネットワークの学習と検証

学習（訓練）

オプティマイザと損失関数とメトリクスを設定する．

Keras のオプティマイザのページ: https://keras.io/api/optimizers/
Keras の損失関数のページ: https://keras.io/api/losses/
Keras のメトリクスのページ: https://keras.io/api/losses/

EPOCHS = 40
m.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.001),
              loss='binary_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])
history = m.fit(x_train,
                    y_train,
                    epochs=EPOCHS,
                    batch_size=512,
                    validation_data=(x_test, y_test),
                    verbose=1)

ニューラルネットワークによるデータの2クラス分類
```
print(m.predict(x_test))
```
（以下省略）

y_test 内にある正解のラベル（クラス名）を表示する（上の結果と比べるため）
```
print(y_test)
```

学習曲線の確認

過学習や学習不足について確認．

import pandas as pd
hist = pd.DataFrame(history.history)
hist['epoch'] = history.epoch
print(hist)

学習曲線のプロット

学習時と検証時で，大きく損失や精度が違っており，過学習が起きていることが確認できる

学習時と検証時の，損失の違い

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')   # Suppress Matplotlib warnings

accuracy = history.history['accuracy']
val_accuracy = history.history['val_accuracy']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']

epochs = range(1, len(accuracy) + 1)

# "bo" は青いドット
plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
# ”b" は青い実線
plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()

plt.show()

学習曲線

# plt.clf()   # 図のクリア
accuracy = history.history['accuracy']
val_accuracy = history.history['val_accuracy']

plt.plot(epochs, accuracy, 'bo', label='Training acc')
plt.plot(epochs, val_accuracy, 'b', label='Validation acc')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Accuracy')
plt.legend()

plt.show()