Machine learning models, particularly the black-box models, are widely favored for their outstanding predictive capabilities. However, they often face scrutiny and criticism due to the lack of interpretability. Paradoxically, their strong predictive capabilities suggest a deep understanding about the underlying data, implying significant potential for interpretation. Leveraging the emerging concept of knowledge distillation, we introduced the method of distillation decision tree (DDT). This method enables the distillation of knowledge about the data from a black-box model into a decision tree, thereby facilitating the interpretation of the black-box model. Constructed through the knowledge distillation process, the interpretability of DDT relies significantly on the stability of its structure. We establish the theoretical foundations for the structural stability of DDT, demonstrating that its structure can achieve stability under mild assumptions. Furthermore, we develop algorithms for efficient construction of (hybrid) DDTs. A comprehensive simulation study validates DDT's ability to provide accurate and reliable interpretations. Additionally, we explore potential application scenarios and provide corresponding case studies to illustrate how DDT can be applied to real-world problems.


翻译:机器学习模型,尤其是黑箱模型,因其卓越的预测能力而广受欢迎。然而,由于缺乏可解释性,它们常面临质疑与批评。矛盾的是,其强大的预测能力暗示着对底层数据的深刻理解,蕴含着巨大的解释潜力。借助知识蒸馏这一新兴概念,我们提出了蒸馏决策树(DDT)方法。该方法能将黑箱模型关于数据的知识蒸馏至决策树中,从而促进对黑箱模型的解释。通过知识蒸馏过程构建的DDT,其可解释性很大程度上依赖于其结构的稳定性。我们为DDT的结构稳定性奠定了理论基础,证明在温和假设下其结构可达到稳定。此外,我们开发了高效构建(混合)DDT的算法。综合仿真研究验证了DDT提供准确可靠解释的能力。最后,我们探索了潜在应用场景,并提供相应案例研究,阐释DDT如何应用于现实问题。

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决策树(Decision Tree)是在已知各种情况发生概率的基础上,通过构成决策树来求取净现值的期望值大于等于零的概率,评价项目风险,判断其可行性的决策分析方法,是直观运用概率分析的一种图解法。由于这种决策分支画成图形很像一棵树的枝干,故称决策树。在机器学习中,决策树是一个预测模型,他代表的是对象属性与对象值之间的一种映射关系。Entropy = 系统的凌乱程度,使用算法ID3, C4.5和C5.0生成树算法使用熵。这一度量是基于信息学理论中熵的概念。 决策树是一种树形结构,其中每个内部节点表示一个属性上的测试,每个分支代表一个测试输出,每个叶节点代表一种类别。 分类树(决策树)是一种十分常用的分类方法。他是一种监管学习,所谓监管学习就是给定一堆样本,每个样本都有一组属性和一个类别,这些类别是事先确定的,那么通过学习得到一个分类器,这个分类器能够对新出现的对象给出正确的分类。这样的机器学习就被称之为监督学习。

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