Neurosymbolic AI is growing in popularity thanks to its ability to combine neural perception and symbolic reasoning in end-to-end trainable models. However, recent findings reveal these are prone to shortcut reasoning, i.e., to learning unindented concepts--or neural predicates--which exploit spurious correlations to satisfy the symbolic constraints. In this paper, we address reasoning shortcuts at their root cause and we introduce prototypical neurosymbolic architectures. These models are able to satisfy the symbolic constraints (be right) because they have learnt the correct basic concepts (for the right reasons) and not because of spurious correlations, even in extremely low data regimes. Leveraging the theory of prototypical learning, we demonstrate that we can effectively avoid reasoning shortcuts by training the models to satisfy the background knowledge while taking into account the similarity of the input with respect to the handful of labelled datapoints. We extensively validate our approach on the recently proposed rsbench benchmark suite in a variety of settings and tasks with very scarce supervision: we show significant improvements in learning the right concepts both in synthetic tasks (MNIST-EvenOdd and Kand-Logic) and real-world, high-stake ones (BDD-OIA). Our findings pave the way to prototype grounding as an effective, annotation-efficient strategy for safe and reliable neurosymbolic learning.


翻译:神经符号人工智能因其能够将神经感知与符号推理结合于端到端可训练模型中而日益受到关注。然而,近期研究发现这类模型易陷入推理捷径,即学习到非预期的概念——或神经谓词——这些概念利用虚假相关性来满足符号约束。本文从根源上解决推理捷径问题,并引入原型神经符号架构。这些模型能够满足符号约束(即‘正确’),是因为它们学习了正确的基本概念(出于正确的原因),而非依赖虚假相关性,即使在极低数据条件下也是如此。借助原型学习理论,我们证明通过训练模型在考虑输入与少量标注数据点相似性的同时满足背景知识,可以有效避免推理捷径。我们在近期提出的rsbench基准测试套件中,于多种设置和任务(监督信息极其稀缺)下广泛验证了该方法:在合成任务(MNIST-EvenOdd和Kand-Logic)及现实世界高风险任务(BDD-OIA)中,学习正确概念的能力均显示出显著提升。我们的研究为原型接地作为一种高效、标注节约的策略,实现安全可靠的神经符号学习开辟了道路。

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