効率的な材料探索のための実験計画法の開発

• Project Area: Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation
• Project/Area Number: 26106506
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 本多 淳也 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (10712391)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2015: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2014: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

本研究では材料探索の問題において膨大な候補数のある材料のうちから優れた物性をもつ新規材料を効率的に探索するための機械学習的な手法の開発を行った。このように探索を行った候補についてのみ情報が得られるという状況下で次の探索候補を動的に決定する問題は多腕バンディット問題とよばれる。この問題では通常では各時刻ごとに探索する候補を１個だけ決定するものであるが、実際の応用では同時に複数の候補について並列的に合成あるいは物理計算を行うという状況が一般的である。このように単位時刻ごとに複数の候補を選択するという問題では漸近最適となる戦略の存在が理論的には示されていたものの、これは実際の計算がほぼ不可能な指標を用いるものであった。そこで本研究ではトンプソンサンプリングとよばれる乱択手法を応用することで候補数に関して線形な計算量で漸近最適となる探索戦略を構成した。この結果は機械学習トップレベルの国際会議であるICMLに採録された。
さらに、材料探索ではある候補に関する物性値等の情報が別の候補についての部分的な情報を含んでいるという場合が多いが、このような設定は多腕バンディット問題の一般化として部分観測問題とよばれる。この問題では累積損失が対数オーダーで抑えられることが理論限界の議論により示唆されていたが、従来では対数オーダーの損失が達成可能であることが示されていたのは非常に限定的な状況に限られており、一般の状況では損失が多項式オーダーとなる戦略しか知られていなかった。そこで本研究ではこれまで申請者が構築してきた尤度に基づく探索手法を半無限計画法の理論と組み合わせることにより一般の状況に対して理論限界を達成する戦略を構成した。この結果は機械学習で最も権威のある国際会議NIPSに採録された。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Almost Instantaneous Fixed-to-Variable Length Codes (2015)
  • Author(s): Hirosuke Yamamoto, Masato Tsuchihashi, Junya Honda
  • Journal Title: IEEE Transactions on Information Theory Volume: 61 Issue: 12 Pages: 6432-6443
  • DOI: 10.1109/tit.2015.2492961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regret Lower Bound and Optimal Algorithm in Dueling Bandit Problem (2015)
  • Author(s): Junpei Komiyama, Junya Honda, Hisashi Kashima, Hiorshi Nakagawa
  • Journal Title: JMLR Workshop and Conference Proceedings Volume: 40 Pages: 1141-1154
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Optimal Regret Analysis of Thompson Sampling in Stochastic Multi-armed Bandit Problem with Multiple Plays (2015)
  • Author(s): Junpei Komiyama, Junya Honda, Hiorshi Nakagawa
  • Journal Title: JMLR Workshop and Conference Proceedings Volume: 37 Pages: 1152-1161
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Regret Lower Bound and Optimal Algorithm in Finite Stochastic Partial Monitoring (2015)
  • Author(s): Junpei Komiyama, Junya Honda, Hiorshi Nakagawa
  • Journal Title: Advances in Neural Information Processing Systems Volume: 28 Pages: 1-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Non-Asymptotic Analysis of a New Bandit Algorithm for Semi-Bounded Rewards (2015)
  • Author(s): Junya Honda, Akimichi Takemura
  • Journal Title: Journal of Machine Learning Research Volume: 16 Pages: 3721-3756
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Optimality of Thompson Sampling for Gaussian Bandits Depends on Priors (2014)
  • Author(s): Junya Honda, Akimichi Takemura
  • Journal Title: JMLR Workshop and Conference Proceedings Volume: 33 Pages: 375-383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RSA meets DPA: Recovering RSA Secret Keys from Noisy Analog Data (2014)
  • Author(s): N. Kunihiro and J. Honda
  • Journal Title: Proc. of CHES2014 Volume: LNCS 8731 Pages: 261-278
  • DOI: 10.1007/978-3-662-44709-3_15
  • ISBN: 9783642387081, 9783642387098
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Source and Homophonic Coding using Gray Code (2015)
  • Author(s): Junya Honda, Hirosuke Yamamoto
  • Organizer: 第38回情報理論とその応用シンポジウム
  • Place of Presentation: 下電ホテル（岡山県倉敷市）
  • Year and Date: 2015-11-24
• [Presentation] Construction of Polar Codes for Channels with Memory (2015)
  • Author(s): Runxin Wang, Junya Honda, Hirosuke Yamamoto, Rongke Liu, Yi Hou
  • Organizer: 2015 IEEE Information Theory Workshop (査読付)
  • Place of Presentation: Jeju Island, Korea
  • Year and Date: 2015-10-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Asymptotically Optimal Policies for Multiparameter and Nonparametric Bandits (2015)
  • Author(s): Junya Honda
  • Organizer: Fourth Rutgers Probability Conference
  • Place of Presentation: New Jersey, USA
  • Year and Date: 2015-10-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] FV Polar Coding for Lossy Compression with an Improved Exponent (2015)
  • Author(s): Runxin Wang, Junya Honda, Hirosuke Yamamoto
  • Organizer: 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (査読付)
  • Place of Presentation: Hong Kong
  • Year and Date: 2015-06-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exact Asymptotics for Random Coding Error Probability (2015)
  • Author(s): Junya Honda
  • Organizer: 2015 IEEE International Symposium on Information Theory (査読付)
  • Place of Presentation: Hong Kong
  • Year and Date: 2015-06-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多腕バンディット問題の理論とアルゴリズム (2014)
  • Author(s): 本多淳也
  • Organizer: 第17回情報論的学習理論ワークショップ
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-16
  • Invited