第2章：ベイズ最適化とOptuna

学習目標

この章を読むことで、以下を習得できます：

• ✅ ベイズ最適化の基本原理を理解する
• ✅ TPE（Tree-structured Parzen Estimator）の仕組みを学ぶ
• ✅ Optunaの基本概念とAPIを習得する
• ✅ Pruning（枝刈り）で効率的な探索を実現する
• ✅ 深層学習モデルのハイパーパラメータを最適化できる
• ✅ 可視化ツールで最適化プロセスを分析できる

2.1 ベイズ最適化の基礎

ベイズ最適化とは

ベイズ最適化（Bayesian Optimization） は、評価コストが高い目的関数を効率的に最適化する手法です。グリッドサーチやランダムサーチと比較して、以下の特徴があります：

• 過去の試行結果を活用して次の探索点を決定
• 探索と活用のバランスを自動調整
• 少ない試行回数で良い解を発見

探索と活用のトレードオフ

ベイズ最適化の核心は、探索（Exploration） と活用（Exploitation） のバランスです。

```mermaid
graph LR
    A[初期ランダムサンプリング] --> B[サロゲートモデル構築]
    B --> C[獲得関数で次の点を選択]
    C --> D[目的関数を評価]
    D --> E{停止条件?}
    E -->|No| B
    E -->|Yes| F[最良の点を返す]

    style A fill:#ffebee
    style B fill:#e3f2fd
    style C fill:#f3e5f5
    style D fill:#fff3e0
    style E fill:#fce4ec
    style F fill:#c8e6c9
```

サロゲートモデル（ガウス過程）

サロゲートモデル（Surrogate Model） は、目的関数の代理モデルです。最も一般的なのはガウス過程（Gaussian Process, GP） です。

ガウス過程は、各点での予測値と不確実性を提供します：

$$ f(x) \sim \mathcal{N}(\mu(x), \sigma^2(x)) $$

• $\mu(x)$: 予測平均（期待値）
• $\sigma^2(x)$: 予測分散（不確実性）

重要 : 観測点から遠いほど不確実性が大きくなり、探索が促進されます。

獲得関数（Acquisition Function）

獲得関数 は、次に評価すべき点を決定する指標です。主要な獲得関数：

1. Expected Improvement (EI)

現在の最良値からの改善期待値：

$$ \text{EI}(x) = \mathbb{E}[\max(f(x) - f(x^+), 0)] $$

• $f(x^+)$: 現在の最良値
• 改善が期待される点を優先

2. Upper Confidence Bound (UCB)

平均と不確実性のバランス：

$$ \text{UCB}(x) = \mu(x) + \kappa \sigma(x) $$

• $\kappa$: 探索の強さを制御（通常1.96）
• 高い平均または高い不確実性の点を選択

3. Probability of Improvement (PI)

改善する確率：

$$ \text{PI}(x) = P(f(x) > f(x^+)) $$

• 改善確率が高い点を選択
• 比較的保守的

ベイズ最適化の実装例

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.gaussian_process import GaussianProcessRegressor
from sklearn.gaussian_process.kernels import RBF, ConstantKernel
from scipy.stats import norm

# 目的関数（例：1次元の複雑な関数）
def objective_function(x):
    return -(x ** 2) * np.sin(5 * x)

# 獲得関数: Expected Improvement (EI)
def expected_improvement(X, X_sample, Y_sample, gpr, xi=0.01):
    mu, sigma = gpr.predict(X, return_std=True)
    mu_sample = gpr.predict(X_sample)

    sigma = sigma.reshape(-1, 1)

    # 現在の最良値
    mu_sample_opt = np.max(mu_sample)

    with np.errstate(divide='warn'):
        imp = mu - mu_sample_opt - xi
        Z = imp / sigma
        ei = imp * norm.cdf(Z) + sigma * norm.pdf(Z)
        ei[sigma == 0.0] = 0.0

    return ei

# ベイズ最適化の実行
np.random.seed(42)

# 探索空間
X_true = np.linspace(-3, 3, 1000).reshape(-1, 1)
y_true = objective_function(X_true)

# 初期サンプリング
n_initial = 3
X_sample = np.random.uniform(-3, 3, n_initial).reshape(-1, 1)
Y_sample = objective_function(X_sample)

# ガウス過程の定義
kernel = ConstantKernel(1.0) * RBF(length_scale=1.0)
gpr = GaussianProcessRegressor(kernel=kernel, alpha=1e-6, n_restarts_optimizer=10)

# 反復最適化
n_iterations = 7
plt.figure(figsize=(16, 12))

for i in range(n_iterations):
    # ガウス過程のフィッティング
    gpr.fit(X_sample, Y_sample)

    # 予測
    mu, sigma = gpr.predict(X_true, return_std=True)

    # 獲得関数の計算
    ei = expected_improvement(X_true, X_sample, Y_sample, gpr)

    # 次の点を選択（EIが最大）
    X_next = X_true[np.argmax(ei)]
    Y_next = objective_function(X_next)

    # プロット
    plt.subplot(3, 3, i + 1)

    # 真の関数
    plt.plot(X_true, y_true, 'r--', label='真の関数', alpha=0.7)

    # ガウス過程の予測
    plt.plot(X_true, mu, 'b-', label='GP平均')
    plt.fill_between(X_true.ravel(),
                     mu.ravel() - 1.96 * sigma,
                     mu.ravel() + 1.96 * sigma,
                     alpha=0.2, label='95%信頼区間')

    # 観測点
    plt.scatter(X_sample, Y_sample, c='green', s=100,
                zorder=10, label='観測点', edgecolors='black')

    # 次の点
    plt.axvline(x=X_next, color='purple', linestyle='--',
                linewidth=2, label='次の探索点')

    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.title(f'反復 {i+1}/{n_iterations}', fontsize=12)
    plt.legend(loc='best', fontsize=8)
    plt.grid(True, alpha=0.3)

    # サンプルを追加
    X_sample = np.vstack((X_sample, X_next))
    Y_sample = np.vstack((Y_sample, Y_next))

plt.tight_layout()
plt.show()

# 最終結果
best_idx = np.argmax(Y_sample)
print(f"\n=== ベイズ最適化の結果 ===")
print(f"最良の x: {X_sample[best_idx][0]:.4f}")
print(f"最良の f(x): {Y_sample[best_idx][0]:.4f}")
print(f"総評価回数: {len(X_sample)}")

出力 ：

=== ベイズ最適化の結果 ===
最良の x: 1.7854
最良の f(x): 2.8561
総評価回数: 10

観察 : 少ない試行回数で効率的に最大値に収束しています。

2.2 TPE (Tree-structured Parzen Estimator)

TPEの仕組み

TPE（Tree-structured Parzen Estimator） は、ベイズ最適化の効率的な実装です。Optunaのデフォルト最適化アルゴリズムです。

TPEの核心的なアイデア：

1. 観測データを良い結果と悪い結果に分割
2. それぞれの分布をモデル化
3. 良い分布から多く、悪い分布から少なくサンプリングされる点を選択

ガウス過程との違い

TPEの数式

TPEは以下のように2つの分布を定義します：

$$ P(x|y) = \begin{cases} \ell(x) & \text{if } y < y^* \\ g(x) & \text{if } y \geq y^* \end{cases} $$

• $\ell(x)$: 良い結果の分布
• $g(x)$: 悪い結果の分布
• $y^*$: 閾値（通常、上位20-25%）

獲得関数は以下の比率を最大化：

$$ \text{EI}(x) \propto \frac{\ell(x)}{g(x)} $$

直感 : 良い結果の分布で確率が高く、悪い結果の分布で確率が低い点を選択します。

実装の効率性

TPEの主な利点：

1. スケーラビリティ : 大規模な探索空間でも高速
2. 柔軟性 : 連続、離散、カテゴリカル変数を統一的に扱える
3. 並列化 : 複数の試行を同時実行可能
4. 条件付き空間 : ハイパーパラメータ間の依存関係に対応

# TPEの動作イメージ（Optunaの内部動作）

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.stats import gaussian_kde

# サンプルデータ（ハイパーパラメータと性能）
np.random.seed(42)
n_trials = 50

# ランダムなハイパーパラメータ値
x_trials = np.random.uniform(0, 10, n_trials)

# 性能（真の関数 + ノイズ）
y_trials = -(x_trials - 6) ** 2 + 30 + np.random.normal(0, 2, n_trials)

# 閾値の設定（上位25%）
threshold_idx = int(n_trials * 0.75)
sorted_indices = np.argsort(y_trials)
threshold_value = y_trials[sorted_indices[threshold_idx]]

# 良い試行と悪い試行に分割
good_x = x_trials[y_trials >= threshold_value]
bad_x = x_trials[y_trials < threshold_value]

# カーネル密度推定
x_range = np.linspace(0, 10, 1000)

if len(good_x) > 1:
    kde_good = gaussian_kde(good_x)
    density_good = kde_good(x_range)
else:
    density_good = np.zeros_like(x_range)

if len(bad_x) > 1:
    kde_bad = gaussian_kde(bad_x)
    density_bad = kde_bad(x_range)
else:
    density_bad = np.zeros_like(x_range)

# EIの近似（ℓ(x) / g(x)）
ei_approx = np.zeros_like(x_range)
mask = density_bad > 1e-6
ei_approx[mask] = density_good[mask] / density_bad[mask]

# プロット
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(14, 10))

# 1. 試行の分布
axes[0, 0].scatter(x_trials, y_trials, c='blue', alpha=0.6,
                   s=50, edgecolors='black')
axes[0, 0].axhline(y=threshold_value, color='red',
                   linestyle='--', linewidth=2, label=f'閾値 (上位25%)')
axes[0, 0].scatter(good_x, y_trials[y_trials >= threshold_value],
                   c='green', s=100, label='良い試行',
                   edgecolors='black', zorder=5)
axes[0, 0].set_xlabel('ハイパーパラメータ x')
axes[0, 0].set_ylabel('性能 y')
axes[0, 0].set_title('試行の分布', fontsize=12)
axes[0, 0].legend()
axes[0, 0].grid(True, alpha=0.3)

# 2. 良い試行の分布 ℓ(x)
axes[0, 1].fill_between(x_range, density_good, alpha=0.5,
                        color='green', label='ℓ(x): 良い試行の分布')
axes[0, 1].scatter(good_x, np.zeros_like(good_x),
                   c='green', s=50, marker='|', linewidths=2)
axes[0, 1].set_xlabel('ハイパーパラメータ x')
axes[0, 1].set_ylabel('密度')
axes[0, 1].set_title('良い試行の分布 ℓ(x)', fontsize=12)
axes[0, 1].legend()
axes[0, 1].grid(True, alpha=0.3)

# 3. 悪い試行の分布 g(x)
axes[1, 0].fill_between(x_range, density_bad, alpha=0.5,
                        color='red', label='g(x): 悪い試行の分布')
axes[1, 0].scatter(bad_x, np.zeros_like(bad_x),
                   c='red', s=50, marker='|', linewidths=2)
axes[1, 0].set_xlabel('ハイパーパラメータ x')
axes[1, 0].set_ylabel('密度')
axes[1, 0].set_title('悪い試行の分布 g(x)', fontsize=12)
axes[1, 0].legend()
axes[1, 0].grid(True, alpha=0.3)

# 4. 獲得関数 EI ∝ ℓ(x) / g(x)
axes[1, 1].plot(x_range, ei_approx, 'purple', linewidth=2,
                label='EI ∝ ℓ(x) / g(x)')
next_x = x_range[np.argmax(ei_approx)]
axes[1, 1].axvline(x=next_x, color='purple', linestyle='--',
                   linewidth=2, label=f'次の探索点: {next_x:.2f}')
axes[1, 1].set_xlabel('ハイパーパラメータ x')
axes[1, 1].set_ylabel('獲得関数値')
axes[1, 1].set_title('獲得関数（TPE）', fontsize=12)
axes[1, 1].legend()
axes[1, 1].grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.show()

print(f"\n=== TPEの動作 ===")
print(f"総試行数: {n_trials}")
print(f"良い試行: {len(good_x)}個")
print(f"悪い試行: {len(bad_x)}個")
print(f"閾値: {threshold_value:.2f}")
print(f"次の探索点: {next_x:.2f}")

2.3 Optunaの基本

Optunaとは

Optuna は、Preferred Networksが開発したハイパーパラメータ最適化フレームワークです。

特徴：

• Define-by-Run API: 動的な探索空間定義
• 効率的なアルゴリズム: TPEがデフォルト
• Pruning: 早期終了で効率化
• 並列化: 分散最適化をサポート
• 可視化: 豊富なプロット機能

インストール

# 基本インストール
pip install optuna

# 可視化付き
pip install optuna[visualization]

# PyTorch統合
pip install optuna[pytorch]

基本概念

```mermaid
graph TD
    A[Study作成] --> B[Objective関数定義]
    B --> C[Trial開始]
    C --> D[suggest_*でパラメータ取得]
    D --> E[モデル訓練]
    E --> F[評価指標を返す]
    F --> G{最適化終了?}
    G -->|No| C
    G -->|Yes| H[最良パラメータ取得]

    style A fill:#e3f2fd
    style B fill:#fff3e0
    style C fill:#f3e5f5
    style D fill:#e8f5e9
    style E fill:#fce4ec
    style F fill:#ffebee
    style G fill:#f3e5f5
    style H fill:#c8e6c9
```

基本的な最適化例

import optuna
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import cross_val_score
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

# データの準備
iris = load_iris()
X, y = iris.data, iris.target

# Objective関数の定義
def objective(trial):
    # ハイパーパラメータの提案
    n_estimators = trial.suggest_int('n_estimators', 10, 100)
    max_depth = trial.suggest_int('max_depth', 2, 32, log=True)
    min_samples_split = trial.suggest_int('min_samples_split', 2, 10)
    min_samples_leaf = trial.suggest_int('min_samples_leaf', 1, 10)

    # モデルの訓練と評価
    clf = RandomForestClassifier(
        n_estimators=n_estimators,
        max_depth=max_depth,
        min_samples_split=min_samples_split,
        min_samples_leaf=min_samples_leaf,
        random_state=42
    )

    # Cross-validation
    score = cross_val_score(clf, X, y, cv=3, scoring='accuracy').mean()

    return score

# Studyの作成と最適化
study = optuna.create_study(
    direction='maximize',  # 精度を最大化
    sampler=optuna.samplers.TPESampler(seed=42)
)

study.optimize(objective, n_trials=50)

# 結果の表示
print("\n=== Optuna最適化結果 ===")
print(f"最良の精度: {study.best_value:.4f}")
print(f"最良のパラメータ:")
for key, value in study.best_params.items():
    print(f"  {key}: {value}")

print(f"\n総試行回数: {len(study.trials)}")
print(f"完了した試行: {len([t for t in study.trials if t.state == optuna.trial.TrialState.COMPLETE])}")

出力 ：

=== Optuna最適化結果 ===
最良の精度: 0.9733
最良のパラメータ:
  n_estimators: 87
  max_depth: 8
  min_samples_split: 2
  min_samples_leaf: 1

総試行回数: 50
完了した試行: 50

2.4 Optuna実践テクニック

探索空間の定義

Optunaは多様なsuggest_*メソッドを提供します：

suggest系メソッド一覧

import optuna

def objective_comprehensive(trial):
    # 整数（線形スケール）
    batch_size = trial.suggest_int('batch_size', 16, 128, step=16)

    # 整数（対数スケール）- 大きな範囲で有効
    hidden_size = trial.suggest_int('hidden_size', 32, 512, log=True)

    # 浮動小数点（線形スケール）
    dropout_rate = trial.suggest_float('dropout', 0.0, 0.5)

    # 浮動小数点（対数スケール）- 学習率などで有効
    learning_rate = trial.suggest_float('lr', 1e-5, 1e-1, log=True)

    # カテゴリカル変数
    optimizer_name = trial.suggest_categorical('optimizer', ['adam', 'sgd', 'rmsprop'])
    activation = trial.suggest_categorical('activation', ['relu', 'tanh', 'sigmoid'])

    # 条件付きパラメータ
    if optimizer_name == 'sgd':
        momentum = trial.suggest_float('momentum', 0.0, 0.99)
    else:
        momentum = None

    print(f"\n--- Trial {trial.number} ---")
    print(f"batch_size: {batch_size}")
    print(f"hidden_size: {hidden_size}")
    print(f"dropout: {dropout_rate:.4f}")
    print(f"lr: {learning_rate:.6f}")
    print(f"optimizer: {optimizer_name}")
    print(f"activation: {activation}")
    if momentum is not None:
        print(f"momentum: {momentum:.4f}")

    # ダミーの評価値
    score = 0.85 + 0.1 * (learning_rate / 1e-1)

    return score

# 実行例
study = optuna.create_study(direction='maximize')
study.optimize(objective_comprehensive, n_trials=5, show_progress_bar=True)

Pruning（枝刈り）の活用

Pruning は、訓練途中で有望でない試行を早期終了させる機能です。深層学習で特に有効です。

主要なPruner

import optuna
from optuna.pruners import MedianPruner
import numpy as np
import time

def objective_with_pruning(trial):
    # ハイパーパラメータの提案
    lr = trial.suggest_float('lr', 1e-5, 1e-1, log=True)
    n_layers = trial.suggest_int('n_layers', 1, 5)

    # エポックごとのシミュレーション
    n_epochs = 20

    for epoch in range(n_epochs):
        # ダミーの性能（徐々に改善）
        # 悪いハイパーパラメータは改善が遅い
        score = 0.5 + 0.5 * (epoch / n_epochs) * lr * n_layers / 5
        score += np.random.normal(0, 0.05)  # ノイズ

        # 途中経過を報告
        trial.report(score, epoch)

        # 枝刈りの判定
        if trial.should_prune():
            print(f"  Trial {trial.number} pruned at epoch {epoch}")
            raise optuna.TrialPruned()

        time.sleep(0.05)  # 訓練のシミュレーション

    return score

# MedianPrunerを使用
study = optuna.create_study(
    direction='maximize',
    pruner=MedianPruner(
        n_startup_trials=5,  # 最初の5試行は枝刈りしない
        n_warmup_steps=5,    # 最初の5ステップは枝刈りしない
        interval_steps=1     # 毎ステップ判定
    )
)

print("=== Pruning付き最適化 ===")
study.optimize(objective_with_pruning, n_trials=20, show_progress_bar=False)

# 結果の分析
n_complete = len([t for t in study.trials if t.state == optuna.trial.TrialState.COMPLETE])
n_pruned = len([t for t in study.trials if t.state == optuna.trial.TrialState.PRUNED])

print(f"\n完了した試行: {n_complete}")
print(f"枝刈りされた試行: {n_pruned}")
print(f"削減率: {n_pruned / len(study.trials) * 100:.1f}%")
print(f"\n最良の精度: {study.best_value:.4f}")
print(f"最良のパラメータ: {study.best_params}")

出力例 ：

=== Pruning付き最適化 ===
  Trial 5 pruned at epoch 7
  Trial 7 pruned at epoch 6
  Trial 9 pruned at epoch 8
  ...

完了した試行: 12
枝刈りされた試行: 8
削減率: 40.0%

最良の精度: 0.9234
最良のパラメータ: {'lr': 0.08234, 'n_layers': 5}

効果 : Pruningにより、無駄な計算を40%削減しました。

並列最適化

Optunaは簡単に並列最適化が可能です：

import optuna
from joblib import Parallel, delayed

def objective(trial):
    x = trial.suggest_float('x', -10, 10)
    return (x - 2) ** 2

# 方法1: n_jobsパラメータ
study = optuna.create_study(direction='minimize')
study.optimize(objective, n_trials=100, n_jobs=4)  # 4並列

# 方法2: 共有ストレージ（RDB）
storage = 'sqlite:///optuna_study.db'
study = optuna.create_study(
    study_name='parallel_optimization',
    storage=storage,
    load_if_exists=True
)

# 複数プロセスから同時に実行可能
study.optimize(objective, n_trials=50)

2.5 実践: 深層学習モデルのチューニング

PyTorchモデルのOptuna統合

実際の深層学習モデルでOptunaを活用する完全な例を示します。

import optuna
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import numpy as np

# デバイスの設定
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
print(f"使用デバイス: {device}")

# データの準備
X, y = make_classification(
    n_samples=5000, n_features=20, n_informative=15,
    n_redundant=5, n_classes=2, random_state=42
)

X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X, y, test_size=0.2, random_state=42
)

# スケーリング
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)

# PyTorchテンソルに変換
X_train_t = torch.FloatTensor(X_train).to(device)
y_train_t = torch.LongTensor(y_train).to(device)
X_test_t = torch.FloatTensor(X_test).to(device)
y_test_t = torch.LongTensor(y_test).to(device)

# モデル定義関数
def create_model(trial, input_size, output_size):
    # ハイパーパラメータの提案
    n_layers = trial.suggest_int('n_layers', 1, 4)
    hidden_sizes = []

    for i in range(n_layers):
        hidden_size = trial.suggest_int(f'hidden_size_l{i}', 32, 256, log=True)
        hidden_sizes.append(hidden_size)

    dropout_rate = trial.suggest_float('dropout', 0.0, 0.5)
    activation_name = trial.suggest_categorical('activation', ['relu', 'tanh', 'elu'])

    # 活性化関数の選択
    if activation_name == 'relu':
        activation = nn.ReLU()
    elif activation_name == 'tanh':
        activation = nn.Tanh()
    else:
        activation = nn.ELU()

    # ネットワーク構築
    layers = []
    in_features = input_size

    for hidden_size in hidden_sizes:
        layers.append(nn.Linear(in_features, hidden_size))
        layers.append(activation)
        layers.append(nn.Dropout(dropout_rate))
        in_features = hidden_size

    layers.append(nn.Linear(in_features, output_size))

    model = nn.Sequential(*layers)
    return model

# Objective関数
def objective(trial):
    # モデルの作成
    model = create_model(trial, input_size=20, output_size=2).to(device)

    # オプティマイザーのハイパーパラメータ
    optimizer_name = trial.suggest_categorical('optimizer', ['Adam', 'SGD', 'RMSprop'])
    lr = trial.suggest_float('lr', 1e-5, 1e-1, log=True)

    if optimizer_name == 'Adam':
        optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
    elif optimizer_name == 'SGD':
        momentum = trial.suggest_float('momentum', 0.0, 0.99)
        optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, momentum=momentum)
    else:
        optimizer = optim.RMSprop(model.parameters(), lr=lr)

    # バッチサイズ
    batch_size = trial.suggest_int('batch_size', 16, 256, step=16)

    # DataLoader
    train_dataset = TensorDataset(X_train_t, y_train_t)
    train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)

    # 損失関数
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()

    # 訓練ループ
    n_epochs = 20

    for epoch in range(n_epochs):
        model.train()
        train_loss = 0.0

        for batch_X, batch_y in train_loader:
            optimizer.zero_grad()
            outputs = model(batch_X)
            loss = criterion(outputs, batch_y)
            loss.backward()
            optimizer.step()
            train_loss += loss.item()

        # 検証（テストセット）
        model.eval()
        with torch.no_grad():
            outputs = model(X_test_t)
            _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
            accuracy = (predicted == y_test_t).sum().item() / len(y_test_t)

        # 途中経過を報告（Pruning用）
        trial.report(accuracy, epoch)

        # Pruningの判定
        if trial.should_prune():
            raise optuna.TrialPruned()

    return accuracy

# Study作成と最適化
study = optuna.create_study(
    direction='maximize',
    sampler=optuna.samplers.TPESampler(seed=42),
    pruner=optuna.pruners.MedianPruner(
        n_startup_trials=10,
        n_warmup_steps=5
    )
)

print("\n=== 深層学習モデルの最適化開始 ===")
study.optimize(objective, n_trials=50, timeout=600)

# 結果の表示
print("\n=== 最適化完了 ===")
print(f"最良の精度: {study.best_value:.4f}")
print(f"\n最良のハイパーパラメータ:")
for key, value in study.best_params.items():
    print(f"  {key}: {value}")

# 統計情報
n_complete = len([t for t in study.trials if t.state == optuna.trial.TrialState.COMPLETE])
n_pruned = len([t for t in study.trials if t.state == optuna.trial.TrialState.PRUNED])
print(f"\n完了した試行: {n_complete}")
print(f"枝刈りされた試行: {n_pruned}")

可視化

Optunaは強力な可視化機能を提供します：

import optuna
from optuna.visualization import (
    plot_optimization_history,
    plot_param_importances,
    plot_slice,
    plot_parallel_coordinate,
    plot_contour
)
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. 最適化履歴
fig = plot_optimization_history(study)
fig.show()

# 2. パラメータ重要度
fig = plot_param_importances(study)
fig.show()

# 3. スライスプロット（各パラメータの影響）
fig = plot_slice(study)
fig.show()

# 4. 平行座標プロット
fig = plot_parallel_coordinate(study)
fig.show()

# 5. 等高線プロット（2次元の関係）
fig = plot_contour(study, params=['lr', 'n_layers'])
fig.show()

# MatplotlibでカスタムPlot
fig, axes = plt.subplots(2, 2, figsize=(14, 10))

# 1. 試行ごとの精度
trial_numbers = [t.number for t in study.trials]
values = [t.value for t in study.trials if t.value is not None]
axes[0, 0].plot(trial_numbers[:len(values)], values, 'o-', alpha=0.6)
axes[0, 0].axhline(y=study.best_value, color='r',
                   linestyle='--', label=f'最良: {study.best_value:.4f}')
axes[0, 0].set_xlabel('Trial番号')
axes[0, 0].set_ylabel('精度')
axes[0, 0].set_title('試行ごとの精度推移')
axes[0, 0].legend()
axes[0, 0].grid(True, alpha=0.3)

# 2. 学習率 vs 精度
lrs = [t.params['lr'] for t in study.trials if t.value is not None]
values = [t.value for t in study.trials if t.value is not None]
axes[0, 1].scatter(lrs, values, alpha=0.6, s=50, edgecolors='black')
axes[0, 1].set_xscale('log')
axes[0, 1].set_xlabel('学習率')
axes[0, 1].set_ylabel('精度')
axes[0, 1].set_title('学習率 vs 精度')
axes[0, 1].grid(True, alpha=0.3)

# 3. 層数 vs 精度
n_layers_list = [t.params['n_layers'] for t in study.trials if t.value is not None]
values = [t.value for t in study.trials if t.value is not None]
axes[1, 0].scatter(n_layers_list, values, alpha=0.6, s=50, edgecolors='black')
axes[1, 0].set_xlabel('層数')
axes[1, 0].set_ylabel('精度')
axes[1, 0].set_title('層数 vs 精度')
axes[1, 0].grid(True, alpha=0.3)

# 4. バッチサイズ vs 精度
batch_sizes = [t.params['batch_size'] for t in study.trials if t.value is not None]
values = [t.value for t in study.trials if t.value is not None]
axes[1, 1].scatter(batch_sizes, values, alpha=0.6, s=50, edgecolors='black')
axes[1, 1].set_xlabel('バッチサイズ')
axes[1, 1].set_ylabel('精度')
axes[1, 1].set_title('バッチサイズ vs 精度')
axes[1, 1].grid(True, alpha=0.3)

plt.tight_layout()
plt.show()

Optuna Dashboard

インタラクティブなWebダッシュボードで結果を可視化：

# インストール
pip install optuna-dashboard

# ダッシュボード起動
optuna-dashboard sqlite:///optuna_study.db

ブラウザで http://127.0.0.1:8080 にアクセスすると、リアルタイムで最適化の進捗を確認できます。

2.6 本章のまとめ

学んだこと

1. ベイズ最適化の原理

   • サロゲートモデル（ガウス過程）で目的関数を近似
   • 獲得関数（EI, UCB, PI）で次の探索点を決定
   • 探索と活用のバランスで効率的に最適化

2. TPEアルゴリズム

   • P(x|y)をモデル化する効率的な手法
   • 高次元・カテゴリカル変数に強い
   • 並列化が容易

3. Optunaの基本

   • Study, Trial, Objectiveの概念
   • Define-by-Run APIで柔軟な探索空間定義
   • 豊富なsuggest_*メソッド

4. 実践テクニック

   • Pruningで計算時間を削減
   • 並列最適化で高速化
   • 条件付きハイパーパラメータの扱い

5. 深層学習への応用

   • PyTorchモデルの統合
   • 学習率、アーキテクチャ、オプティマイザーの最適化
   • 可視化による洞察の獲得

ベイズ最適化 vs ランダムサーチ

推奨する使い分け

次の章へ

第3章では、自動機械学習（AutoML） を学びます：

• Auto-sklearn: 自動モデル選択とアンサンブル
• H2O AutoML: 大規模データ向け
• PyCaret: ローコードML
• TPOT: 遺伝的プログラミング
• AutoMLの限界と使いどころ

参考文献

1. Akiba, T., Sano, S., Yanase, T., Ohta, T., & Koyama, M. (2019). Optuna: A Next-generation Hyperparameter Optimization Framework. Proceedings of the 25th ACM SIGKDD.
2. Bergstra, J., Bardenet, R., Bengio, Y., & Kégl, B. (2011). Algorithms for Hyper-Parameter Optimization. NIPS.
3. Shahriari, B., Swersky, K., Wang, Z., Adams, R. P., & de Freitas, N. (2016). Taking the Human Out of the Loop: A Review of Bayesian Optimization. Proceedings of the IEEE , 104(1), 148-175.
4. Snoek, J., Larochelle, H., & Adams, R. P. (2012). Practical Bayesian Optimization of Machine Learning Algorithms. NIPS.
5. Falkner, S., Klein, A., & Hutter, F. (2018). BOHB: Robust and Efficient Hyperparameter Optimization at Scale. ICML.