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【ベンチマーク】ラベルノイズのある分類

中級

02.2.12

【ベンチマーク】ラベルノイズのある分類

最終更新 2026-03-06 読了時間 5 分
まとめ
学習データの 15 % のラベルをランダムに反転させた 2 クラスデータ 1000 件で、6 つの分類器が「間違ったラベルを暗記するか、無視できるか」を比べます。評価はラベルが正しいままのテストデータで行うので、RBF カーネルの SVM や GradientBoostingClassifier のように表現力の高いモデルがノイズまで学習すると、Accuracy がはっきり下がります。cross_val_predict で得た予測確率と実ラベルの食い違いが大きいサンプルを除くだけの簡易クリーニングで、ほとんどのモデルがクリーンなラベルで学習したときに近い精度まで回復します。読み終えると、「学習データのラベルは正しい」という前提を疑い、どのサンプルを疑えばよいかを確率から判断できるようになります。

クラウドソーシングによるアノテーション、自動ラベリングの誤り、マスターデータの不整合など、実務のラベルは完璧ではない。ここでは意図的にラベルを汚染した合成データを使い、モデルごとのノイズ耐性と、簡易的なラベルクリーニングの効果を検証する。


1. データの特徴 #

n=1000、5 特徴量の 2 クラス分類で、70 % を学習、30 % を評価に分けます。学習データ 700 件のうち 15 %(105 件)のラベルをランダムに反転させ、評価データ 300 件のラベルは正しいまま残します。学習側だけを汚すのは、「ノイズ入りで学習したモデルが、正しい答えをどれだけ当てられるか」を測るためで、モデルがノイズを覚えるか無視できるかが焦点になります。

2. 合成データの生成 #

次のコードは make_classification で 2 クラス 1000 件を作って学習・評価に分け、学習データの 15 % のラベルを反転させます。左右 2 枚の散布図で、反転したラベルが「正しい塊の中に混ざった反対色の点」として見えます。

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import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split

X, y_clean = make_classification(
    n_samples=1000, n_features=5, n_informative=4,
    n_redundant=1, n_classes=2, class_sep=1.5,
    random_state=42,
)
X_train, X_test, y_train_clean, y_test = train_test_split(
    X, y_clean, test_size=0.3, random_state=42, stratify=y_clean
)

# 学習データの15%をランダムに反転
rng = np.random.default_rng(42)
noise_rate = 0.15
n_flip = int(len(y_train_clean) * noise_rate)
flip_idx = rng.choice(len(y_train_clean), size=n_flip, replace=False)
y_train_noisy = y_train_clean.copy()
y_train_noisy[flip_idx] = 1 - y_train_noisy[flip_idx]

fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 5))

# クリーンラベル
colors_clean = ["#2563eb" if label == 0 else "#10b981" for label in y_train_clean]
axes[0].scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=colors_clean, alpha=0.5, s=15)
axes[0].set_title(f"クリーンラベル(学習データ, n={len(y_train_clean)})")
axes[0].grid(alpha=0.2)

# ノイズラベル(反転箇所を強調)
colors_noisy = ["#94a3b8"] * len(y_train_noisy)
for idx in flip_idx:
    colors_noisy[idx] = "#ef4444"
axes[1].scatter(X_train[:, 0], X_train[:, 1], c=colors_noisy, alpha=0.5, s=15)
axes[1].scatter(X_train[flip_idx, 0], X_train[flip_idx, 1],
                facecolors="none", edgecolors="#ef4444", s=50, linewidths=1.5, label="反転ラベル")
axes[1].set_title(f"ノイズラベル(赤丸 = 反転, {noise_rate*100:.0f}%)")
axes[1].legend()
axes[1].grid(alpha=0.2)

fig.suptitle("ラベルノイズの可視化", fontsize=13)
fig.tight_layout()
plt.show()

ラベルノイズの可視化

3. 比較するパイプライン #

条件分類器
ノイズラベルで学習Logistic, SVM(linear), SVM(RBF), KNN, RandomForest, GradientBoosting
ラベルクリーニング後に学習同上
クリーンラベルで学習(参考)同上

ラベルクリーニング: LogisticRegressionで交差検証予測を取り、予測確率と実ラベルの乖離が大きいサンプルを除去する。


4. 実験と結果 #

次のコードは、まず LogisticRegression の交差検証予測で「確信度 0.7 以上で実ラベルと食い違う」サンプルを学習データから除き、6 分類器をノイズ・クリーニング後・クリーンの 3 条件で学習して、クリーンな評価データの Accuracy をヒートマップにします。

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from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from sklearn.svm import SVC
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier, GradientBoostingClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.model_selection import cross_val_predict
import seaborn as sns

scaler = StandardScaler()
X_tr_s = scaler.fit_transform(X_train)
X_te_s = scaler.transform(X_test)

# --- ラベルクリーニング ---
# 交差検証で予測確率を取得し、確信度が低いサンプルを除去
lr_cv = LogisticRegression(max_iter=1000, random_state=42)
proba = cross_val_predict(lr_cv, X_tr_s, y_train_noisy, cv=5, method="predict_proba")
predicted_label = proba.argmax(axis=1)
confidence = proba.max(axis=1)

# 「予測と実ラベルが異なり、かつ確信度が高い」サンプルを除去
suspect = (predicted_label != y_train_noisy) & (confidence > 0.7)
clean_mask = ~suspect
X_tr_cleaned = X_tr_s[clean_mask]
y_tr_cleaned = y_train_noisy[clean_mask]

classifiers = {
    "Logistic": LogisticRegression(max_iter=1000, random_state=42),
    "SVM(linear)": SVC(kernel="linear", random_state=42),
    "SVM(RBF)": SVC(kernel="rbf", random_state=42),
    "KNN": KNeighborsClassifier(),
    "RF": RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42),
    "GBM": GradientBoostingClassifier(n_estimators=100, random_state=42),
}

results = []
for name, clf_template in classifiers.items():
    for condition, X_fit, y_fit in [
        ("ノイズ", X_tr_s, y_train_noisy),
        ("クリーニング後", X_tr_cleaned, y_tr_cleaned),
        ("クリーン(参考)", X_tr_s, y_train_clean),
    ]:
        from sklearn.base import clone
        clf = clone(clf_template)
        clf.fit(X_fit, y_fit)
        acc = accuracy_score(y_test, clf.predict(X_te_s))
        results.append({"条件": condition, "分類器": name, "Accuracy": acc})

df = pd.DataFrame(results)
pivot = df.pivot_table(index="条件", columns="分類器", values="Accuracy")
cond_order = ["ノイズ", "クリーニング後", "クリーン(参考)"]
clf_order = ["Logistic", "SVM(linear)", "SVM(RBF)", "KNN", "RF", "GBM"]
pivot = pivot.reindex(index=[c for c in cond_order if c in pivot.index],
                      columns=[c for c in clf_order if c in pivot.columns])

fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 4))
sns.heatmap(pivot, annot=True, fmt=".3f", cmap="RdYlGn",
            linewidths=0.5, ax=ax, vmin=0.7, vmax=1.0,
            cbar_kws={"label": "Accuracy(クリーンテストデータ上)"})
ax.set_title("ラベルノイズ耐性: 条件 × 分類器 ヒートマップ")
ax.set_xlabel("")
ax.set_ylabel("")
fig.tight_layout()
plt.show()

Accuracy ヒートマップ

読み方のポイント #

「ノイズ」行と「クリーン(参考)」行の差が各分類器のノイズ耐性を示し、差が小さいほど頑健です。RBF カーネルの SVM と GradientBoostingClassifier はノイズラベルを暗記する傾向が強く、「ノイズ」行で精度が大きく下がります。ラベルクリーニングにより、ほとんどの分類器でクリーン水準に近い精度が回復します。LogisticRegression は直線 1 本の表現力しかないため、1 点ずつの反転ラベルに合わせる余地がなく、もともと頑健です。


5. 誤差パターン分析 #

最もノイズに弱かった RBF カーネルの SVM を 3 条件で学習し、混同行列で誤分類の増え方と回復の仕方を見ます。

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from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay

fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(14, 4))
configs = [
    ("ノイズ + SVM(RBF)", SVC(kernel="rbf", random_state=42), X_tr_s, y_train_noisy),
    ("クリーニング + SVM(RBF)", SVC(kernel="rbf", random_state=42), X_tr_cleaned, y_tr_cleaned),
    ("クリーン + SVM(RBF)", SVC(kernel="rbf", random_state=42), X_tr_s, y_train_clean),
]
for i, (name, clf, X_fit, y_fit) in enumerate(configs):
    clf.fit(X_fit, y_fit)
    y_pred = clf.predict(X_te_s)
    cm = confusion_matrix(y_test, y_pred)
    ConfusionMatrixDisplay(cm, display_labels=["0", "1"]).plot(ax=axes[i], cmap="Blues", colorbar=False)
    acc = accuracy_score(y_test, y_pred)
    axes[i].set_title(f"{name}\nAcc={acc:.3f}", fontsize=10)

fig.suptitle("SVM(RBF) の混同行列: ノイズの影響", fontsize=13)
fig.tight_layout()
plt.show()

混同行列の比較

ノイズラベルで学習した RBF-SVM は両クラスの誤分類が増える。クリーニング後はクリーン学習時とほぼ同等の混同行列に回復する。


6. よくある失敗パターン #

最初の失敗は、ノイズを力業で覚えることです。深い木や高次カーネルのような複雑なモデルは訓練精度を上げようとしてノイズまで学習するので、C や max_depth で正則化を強めるか、モデルの複雑度を下げます。二つ目は、クリーニングで正しいサンプルまで消すことです。確信度の閾値を 0.55 のように緩くしすぎると有用なサンプルも除去されるので、cross_val_predict の確率出力を使い、複数フォールドで一貫して怪しいサンプルだけを除去してください。

まとめ #

学習ラベルの 15 % を反転させたデータでは、RBF カーネルの SVM や GradientBoostingClassifier のように境界を点ごとに曲げられるモデルがノイズを暗記し、正しいラベルの評価データで Accuracy を落としました。LogisticRegression は直線 1 本しか引けないぶん反転ラベルに合わせる余地がなく、もともと頑健です。cross_val_predict の予測確率で「確信度 0.7 以上で実ラベルと食い違う」サンプルを除くだけのクリーニングで、ほとんどのモデルがクリーンなラベルで学習したときに近い精度まで戻りました。評価データは必ず正しいラベルのまま残し、クリーニングの閾値は正しいサンプルを巻き添えにしない範囲で決めてください。