【李宏毅2020 ML/DL】P26-33 Explainable ML

我已经有两年 ML 经历，这系列课主要用来查缺补漏，会记录一些细节的、自己不知道的东西。

已经有人记了笔记（很用心，强烈推荐）：https://github.com/Sakura-gh/ML-notes

本节内容综述

1. 机器为什么“能”知道？可以从两个角度考虑，比如对于一个分类问题，可以考虑：Local Explanation: Why do you think this image is a cat?，还有Global Explanation: What do you think a "cat" looks like?
2. 此外，解释性机器学习可解释机器学习也有现实意义，比如“证据何在？”，“凭什么给你贷款？”；毕竟，模型可能正确率高，但是什么都没学到；此外，如果你知道哪里出了什么问题，我们也多了一些参考。
3. 李老师讲了他自己的观点，见[小细节](#Lee’s Point of View)
4. Interpretable与Powerful是存在博弈的。深度模型可能很强大，但也因此难以解释。Let's make deep network explainable.此外，决策树可能是一个既强大由可解释的模型；但是有时，问题复杂了，也难以解释。
5. 先从Local Explanation: Explain the Decision讲起。具体讲了基于梯度的Saliency Map，以及一些局限性和***方法。
6. 接着，做了一个 Case Study ，区分数码宝贝和神奇宝贝。（过程充满欢乐…）
7. 接着开始Global Explanation: Explain the Whole Model部分。之前在P17 CNN中，有讲过Activation Maximization，知道DNN很容易被迷惑。本节课进行了简单复习。
8. "Regularization from Generator"，向机器输入一个低纬度向量，机器输出图片。因此要Training a generator(GAN, VAE, etc.)。
9. 接着分享的是，USING A MODEL TO EXPLAIN ANOTHER；用一个模型去解释另一个模型。讲到了Local Interpretable Model-Agnostic Explanations(LIME)。LIME很有趣，举了两个例子，展示其应用。
10. 此外，还讲了 Decision Tree 。Decision Tree 可以无限深度，来模仿黑盒子；但是，决策树太深了，也不便于解释，因此，如何限制决策树深度并且起到模拟作用的难题值得讨论。

 

文章目录

• 本节内容综述
• 小细节
• • • Lee's Point of View
    • Local Explanation: Explain the Decision
    • • Limitation of Gradient based Approaches
      • Attack Interpretation
    • Case Study: Pokemon v.s. Digimon
    • Regularization from Generator
    • USING A MODEL TO EXPLAIN ANOTHER
    • • Local Interpretable Model-Agnostic Explanations(LIME)
      • LIME: Image
      • Decision Tree

 

小细节

Lee’s Point of View

李老师观点：可解释机器学习可能不需要一定解释出来什么，但是要让人决定“爽”。

Local Explanation: Explain the Decision

我们期望知道，变量中哪些值起了作用。

如何做？把一些数据去掉，看看影响。

如上图，如果把灰色方块放在狗头上，机器认为其是狗的概率大大降低了。

此外，还有一种方法，如下图，在某一个变量上加一个小小的扰动，看y值的变化。

如上，根据每个值对目标值得偏微分，我们可以画出一个Saliency Map，可以看出，机器真的看出了什么是动物。

Limitation of Gradient based Approaches

如上，大象的鼻子对于机器来讲，可能很重要；但是对于Gradient based Approaches来讲，把大象鼻子长一点、短一点都是看不出影响的，因为在大象鼻子长度可能处于一个平滑区间，梯度是饱和的（Gradient Saturation）。

解决方案可以是用的别的指标，而非梯度，如右边两篇论文。

Attack Interpretation

此外，基于梯度与Saliency Map，可以进行些***行为。

如上，可以像下面两张图一样，加一些人眼注意不到的noise，来误导机器认知，进而产生***作用。

Case Study: Pokemon v.s. Digimon

如上，网上有相关数据集。即便是人类，可能也很难分辨一些特殊物种，到底是数码宝贝还是宠物小精灵。

机器能否做到呢？

胡乱叠了几层 CNN ，训练集准确率98.9%；测试集98.4%。很惊人。

于是李老师做了Saliency Map。


发现机器更在意的是图片的边缘。

李老师回去看了下数据，发现：

• 宝可梦的图片大多是PNG；
• 而Digimon大多是JPEG？？？？？？

非常幽默了，可以说是。

Regularization from Generator

如图，我们将问题转化为“找一个最好的z”。效果如下。

USING A MODEL TO EXPLAIN ANOTHER

我们用一个具有解释能力的模型，去模仿一个不可解释的模型。

但是难题在于，线性模型可能不能很好地模仿其他模型如神经网络的行为。

然而，我们可以模仿一个 local 部分，而非全貌。

Local Interpretable Model-Agnostic Explanations(LIME)

LIME四步如上，其中，注意第二部找到nearby的数据很重要。这个nearby的决定直接影响效果。

LIME: Image

如上，先手动将图片分成许多小部分，再随机丢掉某些部分，生成一个新数据，将新数据放入黑盒，查看分数。

如图，如果想用线性函数，我们需要对输入数据降维：

• 对于这个例子，我们可以用0-1变量表示某个小块是否存在。

如上，我们现在则可以分析这些参数：

• 如果权重接近0，则说明这个区域与青蛙无关；
• 如果正数，则说明这个区域与青蛙相关；
• 如果负数，则说明这个区域让机器认为其不是青蛙。

如图，李老师用自己的照片做了个实验。

机器认为李老师的照片和服可能性0.25，实验袍可能性0.05。于是李老师进行了LIME。

最后得出与实验袍相关的segment；以及与和服相关的segment。

Decision Tree

如上，我们规定一个指标，描述决策树的深度。

如上，在训练神经网络时，就把“树的复杂度”考虑为优化目标。

但是，这个指标难以微分。于是这篇文章训练了另一个神经网络，那个神经网络用于把主神经网络的参数作为输入，预测树的深度，然后对主神经网络的参数做微分...

 

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来源： https://blog.51cto.com/u_15279775/2938551