Neural network have achieved remarkable successes in many scientific fields. However, the interpretability of the neural network model is still a major bottlenecks to deploy such technique into our daily life. The challenge can dive into the non-linear behavior of the neural network, which rises a critical question that how a model use input feature to make a decision. The classical approach to address this challenge is feature attribution, which assigns an important score to each input feature and reveal its importance of current prediction. However, current feature attribution approaches often indicate the importance of each input feature without detail of how they are actually processed by a model internally. These attribution approaches often raise a concern that whether they highlight correct features for a model prediction. For a neural network model, the non-linear behavior is often caused by non-linear activation units of a model. However, the computation behavior of a prediction from a neural network model is locally linear, because one prediction has only one activation pattern. Base on the observation, we propose an instance-wise linearization approach to reformulates the forward computation process of a neural network prediction. This approach reformulates different layers of convolution neural networks into linear matrix multiplication. Aggregating all layers' computation, a prediction complex convolution neural network operations can be described as a linear matrix multiplication $F(x) = W \cdot x + b$. This equation can not only provides a feature attribution map that highlights the important of the input features but also tells how each input feature contributes to a prediction exactly. Furthermore, we discuss the application of this technique in both supervise classification and unsupervised neural network learning parametric t-SNE dimension reduction.


翻译:神经网络在许多科学领域取得了显著成功。然而,神经网络模型的可解释性仍是将其技术应用于日常生活的关键瓶颈。这一挑战源于神经网络的非线性行为,引发了一个核心问题:模型如何利用输入特征进行决策?解决该问题的经典方法是特征归因,即为每个输入特征分配重要性分数,揭示其对当前预测的重要性。然而,当前的特征归因方法通常仅表明各输入特征的重要性,却未详细说明模型内部如何实际处理这些特征。这些归因方法常引发质疑:它们是否真正突出了模型预测所需的关键特征?对于神经网络模型,非线性行为通常由模型的非线性激活单元引起。但神经网络模型对单个预测的计算行为在局部呈线性,因为一次预测仅对应一种激活模式。基于此观察,我们提出一种逐实例线性化方法,重新表述神经网络预测的前向计算过程。该方法将卷积神经网络的不同层重新表述为线性矩阵乘法。通过聚合所有层的计算,复杂的卷积神经网络操作可被描述为线性矩阵乘法 $F(x) = W \cdot x + b$。该方程不仅能提供突出输入特征重要性的特征归因图,还能精确揭示每个输入特征对预测的具体贡献。此外,我们讨论了该技术在监督分类与无监督神经网络学习参数化t-SNE降维中的应用。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
10+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
12+阅读 · 6月17日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
论文浅尝 | Question Answering over Freebase
开放知识图谱
19+阅读 · 2018年1月9日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员