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2026年5月22日 (金)

高周波エンジニアのためのAI・機械学習入門(GPU編24)TDRでは出せない複素特性インピーダンスの周波数特性を予測する。今回はkerasとバックエンドにJaxを使ったTransformerで。

DNN,CNN,RNN(LSTM)とやってきて今回はTransformer。

コードはこちら。


import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
import os
os.environ["KERAS_BACKEND"] = "jax"
import keras
from jax import config
config.update("jax_enable_x64", False)
plt.rcParams['font.family'] = 'Noto Sans CJK JP'

data_label = np.load("tl_freq_data.npz")
data = data_label["data"]
label = data_label["label"]
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(data, label, test_size=0.3, random_state=0)
y_train_list = [y_train[:,:,1], y_train[:,:,2]]
y_test_list = [y_test[:,:,1], y_test[:,:,2]]

scaler_y = [StandardScaler() for _ in range(2)]
y_train_list_f = [None for _ in range(2)]
for i in range(2):
    scaler_y[i] = StandardScaler()
    y_train_list_f[i] = scaler_y[i].fit_transform(y_train_list[i])

# ==========================
# Positional Encoding
# ==========================
def positional_encoding(seq_len, d_model):
    pos = np.arange(seq_len)[:, np.newaxis]
    i = np.arange(d_model)[np.newaxis, :]
    angle_rates = 1 / np.power(10000, (2 * (i // 2)) / np.float32(d_model))
    angle_rads = pos * angle_rates

    pe = np.zeros((seq_len, d_model))
    pe[:, 0::2] = np.sin(angle_rads[:, 0::2])
    pe[:, 1::2] = np.cos(angle_rads[:, 1::2])
    return keras.ops.convert_to_tensor(pe, dtype="float32")

# ==========================
# Transformer Encoder Block
# ==========================
def transformer_encoder(x, head_size, num_heads, ff_dim, dropout=0.1):
    # Self Attention
    attn_out = keras.layers.MultiHeadAttention(
        num_heads=num_heads,
        key_dim=head_size
    )(x, x)

    #attn_out = keras.layers.Dropout(dropout)(attn_out)
    x = keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)(x + attn_out)

    # Feed Forwardネットワーク
    ffn = keras.layers.Dense(ff_dim, activation="relu")(x)
    ffn = keras.layers.Dense(x.shape[-1])(ffn)
    #ffn = keras.layers.Dropout(dropout)(ffn)

    x = keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)(x + ffn)
    return x

seq_len = 200
feat_dim = 5
embed_dim = 64

inputs = keras.Input(shape=(seq_len, feat_dim))

# 入力を高次元に射影
x = keras.layers.Dense(embed_dim)(inputs)

# Positional Encodingを加算
pe = positional_encoding(seq_len, embed_dim)
x = x + pe

# Transformer ブロック
x = transformer_encoder(x, head_size=64, num_heads=4, ff_dim=128)
#x = transformer_encoder(x, head_size=64, num_heads=4, ff_dim=128)


# 時系列次元を集約
x = keras.layers.GlobalAveragePooling1D()(x)

# 全結合
x = keras.layers.Dense(128, activation="relu")(x)

outputs = [keras.layers.Dense(200)(x) for i in range(2)]

model = keras.Model(inputs=inputs, outputs=outputs)
model.compile(loss = 'mean_squared_error' ,optimizer=keras.optimizers.Adam())

batch_size = 128
epochs = 1000
keras.utils.set_random_seed(1)
history = model.fit(
    x_train,
    y_train_list_f,
    batch_size=batch_size,
    epochs=epochs,
    validation_split=0.15,
)

y_pred_list_f = model.predict(x_test)
y_pred_list = [None for _ in range(2)]
for i in range(2):
    y_pred_list[i] = scaler_y[i].inverse_transform(y_pred_list_f[i])

metric = keras.metrics.R2Score()
for idx in range(2):
    print(f"R2 score for label {idx}:")
    metric.update_state(y_test_list[idx], y_pred_list[idx])
    result = metric.result()
    print(result)



R2スコアはこちら。まずまず。

R2 score for label 0:
0.99998623
R2 score for label 1:
0.9999977

代表例。ちょっとずれてるか。

Gpuz0freqtransformer01

最大誤差をヒストグラムにしたもの。

Gpuz0freqtransformer02

そこそこいいが、今回の例ではCNNが一番精度、速度ともによさそう。

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