テンソルツリーによる生成モデル構築のスキーム~生物系統樹など、因果関係の解明が可能~

2026-01-22 東京大学,京都大学

 

東京大学京都大学の共同研究チームは、生成モデルの新たな枠組みとして、単層非負値適応テンソルツリー(NATT)による構造最適化スキームを提案した。本手法では、確率分布そのものをテンソルツリー構造で表現し、枝が担う相互情報量を最小化するようにネットワーク構造を自動最適化する。その結果、生成データの作成に加え、確率変数間の因果関係を構造として直感的に解釈できる点が大きな特徴である。人工データによる検証に加え、動物のミトコンドリアDNA配列を用いた系統樹(クラドグラム)推定でも、既知の進化関係とほぼ一致する結果を得た。本研究は、ニューラルネットワーク中心の従来型生成モデルとは異なる、解釈性と因果推定に強い生成モデリング手法として注目され、成果はMachine Learning: Science and Technologyに掲載された。

テンソルツリーによる生成モデル構築のスキーム~生物系統樹など、因果関係の解明が可能~
テンソルツリー生成モデルによる因果構造の推定

<関連情報>

解釈可能な生成モデリングのための塑性テンソルネットワーク Plastic tensor networks for interpretable generative modeling

Katsuya O Akamatsu, Kenji Harada, Tsuyoshi Okubo and Naoki Kawashima
Machine Learning: Science and Technology  Published: 21 January 2026
DOI:10.1088/2632-2153/ae3048

Abstract

A structural optimization scheme for a single-layer nonnegative adaptive tensor tree (NATT) that models a target probability distribution is proposed as an alternative paradigm for generative modeling. The NATT scheme, by construction, automatically searches for a tree structure that best fits a given discrete dataset whose features serve as inputs, and has the advantage that it is interpretable as a probabilistic graphical model. We consider the NATT scheme and a recently proposed Born machine ATT optimization scheme and demonstrate their effectiveness on a variety of generative modeling tasks where the objective is to infer the hidden structure of a provided dataset. Our results show that in terms of minimizing the negative log-likelihood, the single-layer scheme has model performance comparable to the Born machine scheme, though not better. The tasks include deducing the structure of binary bitwise operations, learning the internal structure of random Bayesian networks given only visible sites, and a real-world example related to hierarchical clustering where a cladogram is constructed from mitochondrial DNA sequences. In doing so, we also show the importance of the choice of network topology and the versatility of a least-mutual information criterion in selecting a candidate structure for a tensor tree, as well as discuss aspects of these tensor tree generative models including their information content and interpretability.

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