机器学习模型，尤其是人工神经网络，越来越多地用于为在各个领域的高风险场景中（从金融服务，公共安全和医疗保健服务）提供信息。尽管神经网络在许多情况下都取得了出色的性能，但它们的复杂性质引起了人们对现实情况下的可靠性，可信赖性和公平性的关注。结果，已经提出了几种A-tostori解释方法来突出影响模型预测的特征。值得注意的是，Shapley的价值 - 一种满足几种理想特性的游戏理论数量 - 在机器学习解释性文献中获得了知名度。然而，更传统上，在统计学习中的特征是通过有条件独立性正式化的，而对其进行测试的标准方法是通过有条件的随机测试（CRT）。到目前为止，有关解释性和特征重要性的这两个观点已被认为是独特的和独立的。在这项工作中，我们表明基于沙普利的解释方法和针对特征重要性的有条件独立性测试密切相关。更确切地说，我们证明，通过类似于CRT的程序实现了一组特定的条件独立性测试，评估了Shapley系数量，以执行特定的条件独立性测试，但用于不同的零假设。此外，获得的游戏理论值上限限制了此类测试的$ p $值。结果，我们授予大型Shapley系数具有精确的统计意义，并具有控制I型错误。

随着现代复杂的神经网络不断破坏记录并解决更严重的问题，它们的预测也变得越来越少。目前缺乏解释性通常会破坏敏感设置中精确的机器学习工具的部署。在这项工作中，我们提出了一种基于Shapley系数的层次扩展的图像分类的模型 - 不足的解释方法 - 层次结构（H-SHAP）（H-SHAP） - 解决了当前方法的某些局限性。与其他基于沙普利的解释方法不同，H-shap是可扩展的，并且可以计算而无需近似。在某些分布假设下，例如在多个实例学习中常见的假设，H-shap检索了确切的Shapley系数，并具有指数改善的计算复杂性。我们将我们的分层方法与基于Shapley的流行基于Shapley和基于Shapley的方法进行比较，而基于Shapley的方法，医学成像方案以及一般的计算机视觉问题，表明H-Shap在准确性和运行时都超过了最先进的状态。代码和实验已公开可用。

基于Shapley值的功能归因在解释机器学习模型中很受欢迎。但是，从理论和计算的角度来看，它们的估计是复杂的。我们将这种复杂性分解为两个因素：（1）〜删除特征信息的方法，以及（2）〜可拖动估计策略。这两个因素提供了一种天然镜头，我们可以更好地理解和比较24种不同的算法。基于各种特征删除方法，我们描述了多种类型的Shapley值特征属性和计算每个类型的方法。然后，基于可进行的估计策略，我们表征了两个不同的方法家族：模型 - 不合时宜的和模型特定的近似值。对于模型 - 不合稳定的近似值，我们基准了广泛的估计方法，并将其与Shapley值的替代性但等效的特征联系起来。对于特定于模型的近似值，我们阐明了对每种方法的线性，树和深模型的障碍至关重要的假设。最后，我们确定了文献中的差距以及有希望的未来研究方向。

Shap是一种衡量机器学习模型中可变重要性的流行方法。在本文中，我们研究了用于估计外形评分的算法，并表明它是功能性方差分析分解的转换。我们使用此连接表明，在Shap近似中的挑战主要与选择功能分布的选择以及估计的$ 2^p $ ANOVA条款的数量有关。我们认为，在这种情况下，机器学习解释性和敏感性分析之间的联系是有照明的，但是直接的实际后果并不明显，因为这两个领域面临着不同的约束。机器学习的解释性问题模型可评估，但通常具有数百个（即使不是数千个）功能。敏感性分析通常处理物理或工程的模型，这些模型可能非常耗时，但在相对较小的输入空间上运行。

随机森林已被广泛用于其提供的所谓重要措施，在输入变量的相关性来预测某一输出全局（每个数据集）级洞察能力。在另一方面，根据沙普利值方法已被引入特征相关的基于树的模型分析细化到本地（每个实例）的水平。在这种情况下，我们首先证明杂质（MDI）变量重要性得分的全球平均减少对应的Shapley值在某些条件下。然后，我们推导出变量相关的本地MDI重要的措施，这与全球MDI衡量一个非常自然的连接，并且可以与局部特征相关的一个新概念。我们进一步联系当地MDI重要性有关与沙普利值和从文献中有关措施的光进行讨论。这些措施是通过实验在几个分类和回归问题的说明。

This paper proposes a novel approach to explain the predictions made by data-driven methods. Since such predictions rely heavily on the data used for training, explanations that convey information about how the training data affects the predictions are useful. The paper proposes a novel approach to quantify how different data-clusters of the training data affect a prediction. The quantification is based on Shapley values, a concept which originates from coalitional game theory, developed to fairly distribute the payout among a set of cooperating players. A player's Shapley value is a measure of that player's contribution. Shapley values are often used to quantify feature importance, ie. how features affect a prediction. This paper extends this to cluster importance, letting clusters of the training data act as players in a game where the predictions are the payouts. The novel methodology proposed in this paper lets us explore and investigate how different clusters of the training data affect the predictions made by any black-box model, allowing new aspects of the reasoning and inner workings of a prediction model to be conveyed to the users. The methodology is fundamentally different from existing explanation methods, providing insight which would not be available otherwise, and should complement existing explanation methods, including explanations based on feature importance.

We introduce the XPER (eXplainable PERformance) methodology to measure the specific contribution of the input features to the predictive or economic performance of a model. Our methodology offers several advantages. First, it is both model-agnostic and performance metric-agnostic. Second, XPER is theoretically founded as it is based on Shapley values. Third, the interpretation of the benchmark, which is inherent in any Shapley value decomposition, is meaningful in our context. Fourth, XPER is not plagued by model specification error, as it does not require re-estimating the model. Fifth, it can be implemented either at the model level or at the individual level. In an application based on auto loans, we find that performance can be explained by a surprisingly small number of features. XPER decompositions are rather stable across metrics, yet some feature contributions switch sign across metrics. Our analysis also shows that explaining model forecasts and model performance are two distinct tasks.

即使有效，模型的使用也必须伴随着转换数据的各个级别的理解（上游和下游）。因此，需求增加以定义单个数据与算法可以根据其分析可以做出的选择（例如，一种产品或一种促销报价的建议，或代表风险的保险费率）。模型用户必须确保模型不会区分，并且也可以解释其结果。本文介绍了模型解释的重要性，并解决了模型透明度的概念。在保险环境中，它专门说明了如何使用某些工具来强制执行当今可以利用机器学习的精算模型的控制。在一个简单的汽车保险中损失频率估计的示例中，我们展示了一些解释性方法的兴趣，以适应目标受众的解释。

沙普利价值是衡量单个特征影响的流行方法。尽管Shapley功能归因是基于游戏理论的Desiderata，但在某些机器学习设置中，其某些约束可能不太自然，从而导致不直觉的模型解释。特别是，Shapley值对所有边际贡献都使用相同的权重 - 即，当给出大量其他功能时，当给出少数其他功能时，它具有相同的重要性。如果较大的功能集比较小的功能集更具信息性，则此属性可能是有问题的。我们的工作对沙普利特征归因的潜在局限性进行了严格的分析。我们通过为较小的影响力特征分配较大的属性来确定Shapley值在数学上是次优的设置。在这一观察结果的驱动下，我们提出了加权图，它概括了沙普利的价值，并了解到直接从数据中关注哪些边际贡献。在几个现实世界数据集上，我们证明，与沙普利值确定的功能相比，加权图确定的有影响力的特征可以更好地概括模型的预测。

福利值广泛用作模型不可知的解释框架，以解释复杂的预测机器学习模型。福利值具有理想的理论特性和声音数学基础。精确的福芙值估计依赖数据依赖于所有特征组合之间的依赖性的准确建模。在本文中，我们使用具有任意调节（VAEAC）的变形AutoEncoder来同时建模所有特征依赖性。我们通过全面的仿真研究证明了VAEAC对于连续和混合依赖特征的各种环境来说，VAEAC优于最先进的方法。最后，我们将VAEAC应用于从UCI机器学习存储库中的鲍鱼数据集。

Besides accuracy, recent studies on machine learning models have been addressing the question on how the obtained results can be interpreted. Indeed, while complex machine learning models are able to provide very good results in terms of accuracy even in challenging applications, it is difficult to interpret them. Aiming at providing some interpretability for such models, one of the most famous methods, called SHAP, borrows the Shapley value concept from game theory in order to locally explain the predicted outcome of an instance of interest. As the SHAP values calculation needs previous computations on all possible coalitions of attributes, its computational cost can be very high. Therefore, a SHAP-based method called Kernel SHAP adopts an efficient strategy that approximate such values with less computational effort. In this paper, we also address local interpretability in machine learning based on Shapley values. Firstly, we provide a straightforward formulation of a SHAP-based method for local interpretability by using the Choquet integral, which leads to both Shapley values and Shapley interaction indices. Moreover, we also adopt the concept of $k$-additive games from game theory, which contributes to reduce the computational effort when estimating the SHAP values. The obtained results attest that our proposal needs less computations on coalitions of attributes to approximate the SHAP values.

由于其出色的经验表现，随机森林是过去十年中使用的机器学习方法之一。然而，由于其黑框的性质，在许多大数据应用中很难解释随机森林的结果。量化各个特征在随机森林中的实用性可以大大增强其解释性。现有的研究表明，一些普遍使用的特征对随机森林的重要性措施遭受了偏见问题。此外，对于大多数现有方法，缺乏全面的规模和功率分析。在本文中，我们通过假设检验解决了问题，并提出了一个自由化特征 - 弥散性相关测试（事实）的框架，以评估具有偏见性属性的随机森林模型中给定特征的重要性，我们零假设涉及该特征是否与所有其他特征有条件地独立于响应。关于高维随机森林一致性的一些最新发展，对随机森林推断的这种努力得到了赋予的能力。在存在功能依赖性的情况下，我们的事实测试的香草版可能会遇到偏见问题。我们利用偏置校正的不平衡和调节技术。我们通过增强功率的功能转换将合奏的想法进一步纳入事实统计范围。在相当普遍的具有依赖特征的高维非参数模型设置下，我们正式确定事实可以提供理论上合理的随机森林具有P值，并通过非催化分析享受吸引人的力量。新建议的方法的理论结果和有限样本优势通过几个模拟示例和与Covid-19的经济预测应用进行了说明。

在本文中，我们提出了一种新的可解释性形式主义，旨在阐明测试集的每个输入变量如何影响机器学习模型的预测。因此，我们根据训练有素的机器学习决策规则提出了一个群体的解释性形式，它们是根据其对输入变量分布的可变性的反应。为了强调每个输入变量的影响，这种形式主义使用信息理论框架，该框架量化了基于熵投影的所有输入输出观测值的影响。因此，这是第一个统一和模型不可知的形式主义，使数据科学家能够解释输入变量之间的依赖性，它们对预测错误的影响以及它们对输出预测的影响。在大型样本案例中提供了熵投影的收敛速率。最重要的是，我们证明，计算框架中的解释具有低算法的复杂性，使其可扩展到现实生活中的大数据集。我们通过解释通过在各种数据集上使用XGBoost，随机森林或深层神经网络分类器（例如成人收入，MNIST，CELEBA，波士顿住房，IRIS以及合成的）上使用的复杂决策规则来说明我们的策略。最终，我们明确了基于单个观察结果的解释性策略石灰和摇摆的差异。可以通过使用自由分布的Python工具箱https://gems-ai.aniti.fr/来复制结果。

现在通常用于高风险设置，如医疗诊断，如医疗诊断，那么需要不确定量化，以避免后续模型失败。无分发的不确定性量化（无分布UQ）是用户友好的范式，用于为这种预测创建统计上严格的置信区间/集合。批判性地，间隔/集合有效而不进行分布假设或模型假设，即使具有最多许多DataPoints也具有显式保证。此外，它们适应输入的难度;当输入示例很困难时，不确定性间隔/集很大，信号传达模型可能是错误的。在没有多大的工作和没有再培训的情况下，可以在任何潜在的算法（例如神经网络）上使用无分​​发方法，以产生置信度集，以便包含用户指定概率，例如90％。实际上，这些方法易于理解和一般，应用于计算机视觉，自然语言处理，深度加强学习等领域出现的许多现代预测问题。这种实践介绍是针对对无需统计学家的免费UQ的实际实施感兴趣的读者。我们通过实际的理论和无分发UQ的应用领导读者，从保形预测开始，并使无关的任何风险的分布控制，如虚假发现率，假阳性分布检测，等等。我们将包括Python中的许多解释性插图，示例和代码样本，具有Pytorch语法。目标是提供读者对无分配UQ的工作理解，使它们能够将置信间隔放在算法上，其中包含一个自包含的文档。

Shapley values are ubiquitous in interpretable Machine Learning due to their strong theoretical background and efficient implementation in the SHAP library. Computing these values previously induced an exponential cost with respect to the number of input features of an opaque model. Now, with efficient implementations such as Interventional TreeSHAP, this exponential burden is alleviated assuming one is explaining ensembles of decision trees. Although Interventional TreeSHAP has risen in popularity, it still lacks a formal proof of how/why it works. We provide such proof with the aim of not only increasing the transparency of the algorithm but also to encourage further development of these ideas. Notably, our proof for Interventional TreeSHAP is easily adapted to Shapley-Taylor indices and one-hot-encoded features.

我们介绍了学习然后测试，校准机器学习模型的框架，使其预测满足明确的，有限样本统计保证，无论底层模型如何和（未知）数据生成分布。框架地址，以及在其他示例中，在多标签分类中的错误发现速率控制，在实例分割中交叉联盟控制，以及同时控制分类或回归中的异常检测和置信度覆盖的类型误差。为实现这一目标，我们解决了一个关键的技术挑战：控制不一定单调的任意风险。我们的主要洞察力是将风险控制问题重新构建为多个假设检测，使技术和数学论据不同于先前文献中的技术。我们使用我们的框架为多个核心机器学习任务提供新的校准方法，在计算机视觉中具有详细的工作示例。

Modern machine learning pipelines, in particular those based on deep learning (DL) models, require large amounts of labeled data. For classification problems, the most common learning paradigm consists of presenting labeled examples during training, thus providing strong supervision on what constitutes positive and negative samples. This constitutes a major obstacle for the development of DL models in radiology--in particular for cross-sectional imaging (e.g., computed tomography [CT] scans)--where labels must come from manual annotations by expert radiologists at the image or slice-level. These differ from examination-level annotations, which are coarser but cheaper, and could be extracted from radiology reports using natural language processing techniques. This work studies the question of what kind of labels should be collected for the problem of intracranial hemorrhage detection in brain CT. We investigate whether image-level annotations should be preferred to examination-level ones. By framing this task as a multiple instance learning problem, and employing modern attention-based DL architectures, we analyze the degree to which different levels of supervision improve detection performance. We find that strong supervision (i.e., learning with local image-level annotations) and weak supervision (i.e., learning with only global examination-level labels) achieve comparable performance in examination-level hemorrhage detection (the task of selecting the images in an examination that show signs of hemorrhage) as well as in image-level hemorrhage detection (highlighting those signs within the selected images). Furthermore, we study this behavior as a function of the number of labels available during training. Our results suggest that local labels may not be necessary at all for these tasks, drastically reducing the time and cost involved in collecting and curating datasets.

研究人员提出了多种模型解释方法，但目前尚不清楚大多数方法如何相关或何时一种方法比另一种方法更可取。我们研究了文献，发现许多方法都是基于通过删除来解释的共同原理 - 本质上是测量从模型中删除一组特征的影响。这些方法在几个方面有所不同，因此我们为基于删除的解释开发了一个沿三个维度表征每个方法的框架：1）该方法如何删除特征，2）该方法解释的模型行为以及3）方法如何汇总每个方法功能的影响。我们的框架统一了26种现有方法，其中包括几种最广泛使用的方法（Shap，Lime，有意义的扰动，排列测试）。揭露这些方法之间的基本相似性使用户能够推荐使用哪种工具，并为正在进行的模型解释性研究提出了有希望的方向。

在本文中，我们对在表格数据的情况下进行了详尽的理论分析。我们证明，在较大的样本限制中，可以按照算法参数的函数以及与黑框模型相关的一些期望计算来计算表格石灰提供的可解释系数。当要解释的函数具有一些不错的代数结构（根据坐标的子集，线性，乘法或稀疏）时，我们的分析提供了对Lime提供的解释的有趣见解。这些可以应用于一系列机器学习模型，包括高斯内核或卡车随机森林。例如，对于线性函数，我们表明Lime具有理想的属性，可以提供与函数系数成正比的解释，以解释并忽略该函数未使用的坐标来解释。对于基于分区的回归器，另一方面，我们表明石灰会产生可能提供误导性解释的不希望的人工制品。

我们开发了一种新的原则性算法，用于估计培训数据点对深度学习模型的行为的贡献，例如它做出的特定预测。我们的算法估计了AME，该数量量衡量了将数据点添加到训练数据子集中的预期（平均）边际效应，并从给定的分布中采样。当从均匀分布中采样子集时，AME将还原为众所周知的Shapley值。我们的方法受因果推断和随机实验的启发：我们采样了训练数据的不同子集以训练多个子模型，并评估每个子模型的行为。然后，我们使用套索回归来基于子集组成共同估计每个数据点的AME。在稀疏假设（$ k \ ll n $数据点具有较大的AME）下，我们的估计器仅需要$ O（k \ log n）$随机的子模型培训，从而改善了最佳先前的Shapley值估算器。