材料開発DX(データ駆動型研究開発)において、機械学習モデルの良し悪しを判断するための評価指標。 ツールを使えば多くの数字が自動計算されますが、それらを全てチェックする必要はありません。
重要なのは、「今、自分は何を重視してモデルを選定したいのか?」 という目的意識です。
今回は、数ある指標をバラバラに覚えるのではなく、実務における4つの評価軸(カテゴリー)に分類して解説します。 この4つの引き出しを持っておけば、どんなツールを使う時でも迷わず適切な判断ができるようになります。
評価軸1:【傾向把握】モデルの妥当性確認
まずは個々の数値のズレを見る前に、モデルが現象の傾向(トレンド)を正しく学習できているかを確認します。実験フェーズに進むかどうかのゲート(足切り)となる指標群です。
① R2スコア (決定係数)
- 意味: モデルがデータ全体の変動をどれくらい説明できているか(最大1.0)。
- 使いどころ: モデル選定の第一次スクリーニングとして使用します。
- まずは0.7以上など、プロジェクトごとの基準を超えているか確認します。ただし、学習データだけで判断せず、必ずテストデータのスコアを見ることが鉄則です。
② 説明可能分散スコア
- 意味: R2スコアと同様に変動の説明力を示しますが、平均的なズレ(バイアス)の影響を除外して評価します。
- 使いどころ:
- 補正による改善の可能性を探るために使用します。
- 「R2スコアは低いが、このスコアは高い」場合、モデルはトレンドを捉えています。予測値を全体的にシフトさせる補正(キャリブレーション)を行うことで、有用なモデルになる可能性があります。
評価軸2:【精度把握】直感的な性能評価
モデルとして成立していることが確認できたら、次は具体的にどれくらいの精度なのかを把握します。上司への報告や、実用性の判断に役立つ指標群です。
③ MAE (平均絶対誤差)
- 意味: 予測値と実測値の差(絶対値)の平均。
- 使いどころ: データの単位(℃やMPa)のまま、モデルの平均的な予測性能を評価したい時。
- RMSEに比べて外れ値の影響を受けにくいため、初期検討フェーズでの基礎的な実力評価に適しています。
④ MAPE (平均絶対パーセント誤差)
- 意味: 予測値が実測値に対して何%ズレているかの平均。
- 使いどころ: 誤差10%以内 といった統一基準で管理したい時。
- 単位やスケールが異なる複数のモデル(例:引張強度と粘度)を、横並びで比較・評価する場合に適しています。
評価軸3:【リスク管理】安全性と信頼性の評価
平均的な精度が高くても、たった1回の予測ミスが許されないケース(品質管理や安全性に関わる物性)で重視すべき指標群です。
⑤ RMSE (二乗平均平方根誤差)
- 意味: 誤差を二乗して計算するため、大きな誤差に対してペナルティが重くなります。
- 使いどころ: 平均的な精度の良さよりも、大きな予測乖離の防止を優先したい時。
- ※計算過程である MSE (平均二乗誤差) が表示される場合は、そのルート(平方根)をとって解釈します。
⑥ 最大誤差 (Max Error)
- 意味: 全データの中で、予測値と実測値が最も大きく乖離した時の誤差。
- 使いどころ: ワーストケース(最悪の事態) を想定したい時。
- 平均値(MAE)が許容範囲内であっても、この最大誤差が安全マージンを超えていないかを確認します。
評価軸4:【特殊対応】データ分布への適応
測定ノイズが多かったり、数値の桁が大きく変わるような「扱いづらいデータ」に対応するための、専門的な指標群です。
⑦ 中央絶対誤差 (Median Absolute Error)
- 意味: 誤差の中央値。
- 使いどころ: 外れ値(ノイズ)が多いデータの時。
- 平均値(MAE)ですら異常値に引っ張られてしまうような場合でも、中央値を用いることでロバスト(頑健)な評価が可能になります。
⑧ RMSLE (対数平均二乗誤差)
- 意味: データを対数(log)に変換してからズレを計算します。
- 使いどころ: 桁(オーダー)が変わる物性(粘度、電気抵抗など)の時。
- 低い値での誤差と、高い値での誤差を比率として同等に扱いたい場合に必須です(通常のRMSEでは、数値が大きい領域の誤差ばかりが重視されてしまうため)。
重要な補足:数値は万能ではない
ここまで8つの指標を紹介しましたが、最後に一つだけ注意点があります。それは 数値は情報を丸めた平均値に過ぎない ということです。
例えば、「全体的には高精度だが、本当に開発したい高特性の領域だけ予測がズレている」といった致命的なクセは、平均化された指標(R2やRMSE)からは見えてきません。
そのため、最終決定を下す前には必ず Parity Plot(実測値 vs 予測値のプロット図) を作成し、データの散らばり具合を目で確認することを強く推奨します。
多くのツールには、モデルの予測結果をグラフ化する機能(パフォーマンスプロット等)が備わっています。これを見るだけでも、「数値は良いが、特定の領域だけ常に予測がズレている(バイアスがある)」といった異常に気づくことができます。
(※Parity Plotを用いた具体的な診断方法や、過学習の見抜き方については、今後の記事で詳しく解説します)
まとめ:指標確認のフローチャート
迷ったときは、以下の順序で確認することをお勧めします。
- 【評価軸1:傾向】(R2) まずはモデルが現象を捉えているかを確認し、足切りを行う。
- 【評価軸2:精度】(MAPE/MAE) 実用レベルの誤差に収まっているか、直感的に把握する。
- 【評価軸3:リスク】(RMSE/最大誤差) 安全性が重要な場合、突発的な大外しのリスクがないか確認する。
- 【評価軸4:特殊】(中央値/RMSLE) データにノイズが多い、あるいは桁が広い場合は、専用の指標に切り替える。
- 【最終確認】(Parity Plot) 最後に必ずExcel等でグラフを作成して目視し、特定の領域でのズレがないか確認する。
「Polymerize Labs」では、今回ご紹介した指標の一部が自動で算出され、必要に応じてそれらを確認する機能を備えています。
面倒な計算はこうしたツールに任せ、研究者の皆様は「今回のプロジェクトでは、どの評価軸(リスク管理か、平均的な精度か?)を最優先すべきか」という戦略決定に、ぜひ多くの時間を使ってください。
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