随着机器学习的现实世界应用，通常需要模型来遵守某些基于域的要求，例如，飞机系统中的安全保证，贷款批准模型中的法律限制。代表这些属性的自然方式是以约束的形式。包括机器学习的这种约束通常是通过规范化的方式完成的，这不保证对约束的满足感。在本文中，我们展示了一种机器学习方法，可以处理各种约束，并保证即使在看不见的数据上也将满足这些约束。我们将机器学习作为最大可满足问题，并使用一种新颖算法SADE来解决与梯度下降的约束满足。我们在三种用例中展示了这种方法，学习了可证明的模型，这些模型可估量满足给定的限制。
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2021-02-18
组合优化是运营研究和计算机科学领域的一个公认领域。直到最近，它的方法一直集中在孤立地解决问题实例，而忽略了它们通常源于实践中的相关数据分布。但是，近年来，人们对使用机器学习，尤其是图形神经网络（GNN）的兴趣激增，作为组合任务的关键构件，直接作为求解器或通过增强确切的求解器。GNN的电感偏差有效地编码了组合和关系输入，因为它们对排列和对输入稀疏性的意识的不变性。本文介绍了对这个新兴领域的最新主要进步的概念回顾，旨在优化和机器学习研究人员。
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人工智能代理必须从周围环境中学到学习，并了解所学习的知识，以便做出决定。虽然从数据的最先进的学习通常使用子符号分布式表示，但是使用用于知识表示的一阶逻辑语言，推理通常在更高的抽象级别中有用。结果，将符号AI和神经计算结合成神经符号系统的尝试已经增加。在本文中，我们呈现了逻辑张量网络（LTN），一种神经组织形式和计算模型，通过引入许多值的端到端可分别的一阶逻辑来支持学习和推理，称为真实逻辑作为表示语言深入学习。我们表明LTN为规范提供了统一的语言，以及多个AI任务的计算，如数据聚类，多标签分类，关系学习，查询应答，半监督学习，回归和嵌入学习。我们使用TensorFlow2的许多简单的解释例实施和说明上述每个任务。关键词：神经组音恐怖症，深度学习和推理，许多值逻辑。
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通过边界估计可以显着简化求解约束优化问题（COP），即提供成本函数的紧密边界。通过使用由已知边界的数据组成的数据以及COMPS提取的特征来馈送监督机器学习（ML）模型，可以训练模型以估计新COP实例的边界。在本文中，我们首先概述了来自问题实例的约束编程（CP）的ML的现有知识体系。其次，我们介绍了应用于支持CP解算器的工具的边界估计框架。在该框架内，讨论并评估了不同的ML模型，并评估其对边界估计的适用性，并避免避免求解器找到最佳解决方案的不可行估计的对策。第三，我们在七个警察中提出了一种实验研究，与不同的CP溶剂。我们的结果表明，可以仅限于这些警察的近似最佳边界。这些估计的边界将客观域大小减少60-88％，可以帮助求解器在搜索期间提前找到近乎最佳解决方案。
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我们为学习限制建立了混合整数优化的广泛方法论基础。我们提出了一种用于数据驱动决策的端到端管道，其中使用机器学习直接从数据中学习限制和目标，并且培训的模型嵌入在优化配方中。我们利用许多机器学习方法的混合整数优化 - 焦点，包括线性模型，决策树，集合和多层的感知。对多种方法的考虑允许我们捕获决策，上下文变量和结果之间的各种潜在关系。我们还使用观察结果的凸船体来表征决策信任区域，以确保可信的建议并避免推断。我们有效地使用列生成和聚类来纳入这个表示。结合域驱动的约束和客观术语，嵌入式模型和信任区域定义了处方生成的混合整数优化问题。我们将此框架实施为从业者的Python包（OptiCl）。我们展示了化疗优化和世界食物计划规划中的方法。案例研究说明了在生成高质量处方的框架中的框架，由信任区域添加的值，加入多个机器学习方法以及包含多个学习约束的框架。
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本文考虑了在分解正常形式（DNF，ANDS的DNF，ANDS，相当于判定规则集）或联合正常形式（CNF，ORS）作为分类模型的联合正常形式的学习。为规则简化，将整数程序配制成最佳贸易分类准确性。我们还考虑公平设定，并扩大制定，以包括对两种不同分类措施的明确限制：机会平等和均等的赔率。列生成（CG）用于有效地搜索候选条款（连词或剖钉）的指数数量，而不需要启发式规则挖掘。此方法还会绑定所选规则集之间的间隙和培训数据上的最佳规则集。要处理大型数据集，我们建议使用随机化的近似CG算法。与三个最近提出的替代方案相比，CG算法主导了16个数据集中的8个中的精度简单折衷。当最大限度地提高精度时，CG与为此目的设计的规则学习者具有竞争力，有时发现明显更简单的解决方案，这些解决方案不太准确。与其他公平和可解释的分类器相比，我们的方法能够找到符合较严格的公平概念的规则集，以适度的折衷准确性。
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在过去的十年中，神经网络（NNS）已被广泛用于许多应用程序，包括安全系统，例如自主系统。尽管采用了新兴的采用，但众所周知，NNS容易受到对抗攻击的影响。因此，提供确保此类系统正常工作的保证非常重要。为了解决这些问题，我们介绍了一个修复不安全NNS W.R.T.的框架。安全规范，即利用可满足的模型理论（SMT）求解器。我们的方法能够通过仅修改其重量值的一些重量值来搜索新的，安全的NN表示形式。此外，我们的技术试图最大程度地提高与原始网络在其决策边界方面的相似性。我们进行了广泛的实验，以证明我们提出的框架能够产生安全NNS W.R.T.的能力。对抗性的鲁棒性特性，只有轻度的准确性损失（就相似性而言）。此外，我们将我们的方法与天真的基线进行比较，以证明其有效性。总而言之，我们提供了一种算法以自动修复具有安全性的算法，并建议一些启发式方法以提高其计算性能。当前，通过遵循这种方法，我们能够产生由分段线性relu激活函数组成的小型（即具有多达数百个参数）的小型（即具有多达数百个参数）。然而，我们的框架是可以合成NNS W.R.T.的一般框架。一阶逻辑规范的任何可决定片段。
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We introduce a new rule-based optimization method for classification with constraints. The proposed method takes advantage of linear programming and column generation, and hence, is scalable to large datasets. Moreover, the method returns a set of rules along with their optimal weights indicating the importance of each rule for learning. Through assigning cost coefficients to the rules and introducing additional constraints, we show that one can also consider interpretability and fairness of the results. We test the performance of the proposed method on a collection of datasets and present two case studies to elaborate its different aspects. Our results show that a good compromise between interpretability and fairness on the one side, and accuracy on the other side, can be obtained by the proposed rule-based learning method.
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Deep neural networks have emerged as a widely used and effective means for tackling complex, real-world problems. However, a major obstacle in applying them to safety-critical systems is the great difficulty in providing formal guarantees about their behavior. We present a novel, scalable, and efficient technique for verifying properties of deep neural networks (or providing counter-examples). The technique is based on the simplex method, extended to handle the non-convex Rectified Linear Unit (ReLU ) activation function, which is a crucial ingredient in many modern neural networks. The verification procedure tackles neural networks as a whole, without making any simplifying assumptions. We evaluated our technique on a prototype deep neural network implementation of the next-generation airborne collision avoidance system for unmanned aircraft (ACAS Xu). Results show that our technique can successfully prove properties of networks that are an order of magnitude larger than the largest networks verified using existing methods.
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机器学习已随着医疗，法律和运输等各种安全领域的应用而无所不在。在这些领域中，机器学习提供的高风险决策需要研究人员设计可解释的模型，在该模型中，预测对人类是可以理解的。在可解释的机器学习中，基于规则的分类器在通过包含输入功能的一组规则来表示决策边界方面特别有效。基于规则的分类器的解释性通常与规则的规模有关，其中较小的规则被认为更容易解释。要学习这样的分类器，蛮力的直接方法是考虑一个优化问题，该问题试图学习具有接近最大准确性的最小分类规则。由于其组合性质，该优化问题在计算上是可悲的，因此，在大型数据集中，该问题无法扩展。为此，在本文中，我们研究了基于学习规则的分类器的准确性，可解释性和可伸缩性之间的三角关系。本文的贡献是一个可解释的学习框架IMLI，这是基于最大的满意度（MAXSAT），用于在命题逻辑中表达的合成分类规则。尽管在过去十年中MaxSat解决方案取得了进展，但基于最直接的MaxSat解决方案仍无法扩展。因此，我们通过整合迷你批次学习和迭代规则学习，将有效的增量学习技术纳入了MaxSAT公式中。在我们的实验中，IMLI在预测准确性，可解释性和可伸缩性之间取得了最佳平衡。作为一个应用程序，我们将IMLI部署在学习流行的可解释分类器（例如决策清单和决策集）中。
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大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。
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算法配置（AC）与对参数化算法最合适的参数配置的自动搜索有关。目前，文献中提出了各种各样的交流问题变体和方法。现有评论没有考虑到AC问题的所有衍生物，也没有提供完整的分类计划。为此，我们引入分类法以分别描述配置方法的交流问题和特征。我们回顾了分类法的镜头中现有的AC文献，概述相关的配置方法的设计选择，对比方法和问题变体相互对立，并描述行业中的AC状态。最后，我们的评论为研究人员和从业人员提供了AC领域的未来研究方向。
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即使机器学习算法已经在数据科学中发挥了重要作用，但许多当前方法对输入数据提出了不现实的假设。由于不兼容的数据格式，或数据集中的异质，分层或完全缺少的数据片段，因此很难应用此类方法。作为解决方案，我们提出了一个用于样本表示，模型定义和培训的多功能，统一的框架，称为“ Hmill”。我们深入审查框架构建和扩展的机器学习的多个范围范式。从理论上讲，为HMILL的关键组件的设计合理，我们将通用近似定理的扩展显示到框架中实现的模型所实现的所有功能的集合。本文还包含有关我们实施中技术和绩效改进的详细讨论，该讨论将在MIT许可下发布供下载。该框架的主要资产是其灵活性，它可以通过相同的工具对不同的现实世界数据源进行建模。除了单独观察到每个对象的一组属性的标准设置外，我们解释了如何在框架中实现表示整个对象系统的图表中的消息推断。为了支持我们的主张，我们使用框架解决了网络安全域的三个不同问题。第一种用例涉及来自原始网络观察结果的IoT设备识别。在第二个问题中，我们研究了如何使用以有向图表示的操作系统的快照可以对恶意二进制文件进行分类。最后提供的示例是通过网络中实体之间建模域黑名单扩展的任务。在所有三个问题中，基于建议的框架的解决方案可实现与专业方法相当的性能。
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天然气管道中的泄漏检测是石油和天然气行业的一个重要且持续的问题。这尤其重要，因为管道是运输天然气的最常见方法。这项研究旨在研究数据驱动的智能模型使用基本操作参数检测天然气管道的小泄漏的能力，然后使用现有的性能指标比较智能模型。该项目应用观察者设计技术，使用回归分类层次模型来检测天然气管道中的泄漏，其中智能模型充当回归器，并且修改后的逻辑回归模型充当分类器。该项目使用四个星期的管道数据流研究了五个智能模型（梯度提升，决策树，随机森林，支持向量机和人工神经网络）。结果表明，虽然支持向量机和人工神经网络比其他网络更好，但由于其内部复杂性和所使用的数据量，它们并未提供最佳的泄漏检测结果。随机森林和决策树模型是最敏感的，因为它们可以在大约2小时内检测到标称流量的0.1％的泄漏。所有智能模型在测试阶段中具有高可靠性，错误警报率为零。将所有智能模型泄漏检测的平均时间与文献中的实时短暂模型进行了比较。结果表明，智能模型在泄漏检测问题中的表现相对较好。该结果表明，可以与实时瞬态模型一起使用智能模型，以显着改善泄漏检测结果。
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归纳逻辑编程（ILP）是一种机器学习的形式。ILP的目标是诱导推广培训示例的假设（一组逻辑规则）。随着ILP转30，我们提供了对该领域的新介绍。我们介绍了必要的逻辑符号和主要学习环境;描述ILP系统的构建块;比较几个维度的几个系统;描述四个系统（Aleph，Tilde，Aspal和Metagol）;突出关键应用领域;最后，总结了未来研究的当前限制和方向。
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许多现实生活中的优化问题通常包含一个或多个没有明确公式的约束或目标。但是，如果可用数据，这些数据可用于学习约束。清楚地看到了这种方法的好处，但是需要以结构化的方式进行此过程。因此，本文提供了一个使用约束学习（OCL）进行优化的框架，我们认为这将有助于正式化和指导从数据中学习的过程。该框架包括以下步骤：（i）设置概念优化模型，（ii）数据收集和预处理，（iii）选择和培训预测模型，（iv）解决优化模型以及（v）验证和验证和验证和验证改进优化模型。然后，我们根据该框架回顾了最近的OCL文献，并强调了当前的趋势以及未来研究的领域。
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Learning curves provide insight into the dependence of a learner's generalization performance on the training set size. This important tool can be used for model selection, to predict the effect of more training data, and to reduce the computational complexity of model training and hyperparameter tuning. This review recounts the origins of the term, provides a formal definition of the learning curve, and briefly covers basics such as its estimation. Our main contribution is a comprehensive overview of the literature regarding the shape of learning curves. We discuss empirical and theoretical evidence that supports well-behaved curves that often have the shape of a power law or an exponential. We consider the learning curves of Gaussian processes, the complex shapes they can display, and the factors influencing them. We draw specific attention to examples of learning curves that are ill-behaved, showing worse learning performance with more training data. To wrap up, we point out various open problems that warrant deeper empirical and theoretical investigation. All in all, our review underscores that learning curves are surprisingly diverse and no universal model can be identified.
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超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。
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无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域，都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于：（1）减少数据集大小或（2）解释机器学习模型。但是，在文献中，这种特征排名没有以系统的，一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集，可以事先知道特征重要性得分，从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验，在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验，并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成，可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布，并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时，探索了一个这样的大规模实验，以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。
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背景信息：在过去几年中，机器学习（ML）一直是许多创新的核心。然而，包括在所谓的“安全关键”系统中，例如汽车或航空的系统已经被证明是非常具有挑战性的，因为ML的范式转变为ML带来完全改变传统认证方法。目的：本文旨在阐明与ML为基础的安全关键系统认证有关的挑战，以及文献中提出的解决方案，以解决它们，回答问题的问题如何证明基于机器学习的安全关键系统？'方法：我们开展2015年至2020年至2020年之间发布的研究论文的系统文献综述（SLR），涵盖了与ML系统认证有关的主题。总共确定了217篇论文涵盖了主题，被认为是ML认证的主要支柱：鲁棒性，不确定性，解释性，验证，安全强化学习和直接认证。我们分析了每个子场的主要趋势和问题，并提取了提取的论文的总结。结果：单反结果突出了社区对该主题的热情，以及在数据集和模型类型方面缺乏多样性。它还强调需要进一步发展学术界和行业之间的联系，以加深域名研究。最后，它还说明了必须在上面提到的主要支柱之间建立连接的必要性，这些主要柱主要主要研究。结论：我们强调了目前部署的努力，以实现ML基于ML的软件系统，并讨论了一些未来的研究方向。
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