利用SHAP實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的輸出預(yù)測(cè)

解釋產(chǎn)生特定NBA球員預(yù)測(cè)薪水的特征（github）

我最喜歡的庫(kù)之一是SHAP，它是解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型生成的輸出不可或缺的工具。 SHAP是幾種不同的當(dāng)前解釋模型的頂點(diǎn)，并且通過(guò)為每個(gè)特征分配重要性值來(lái)表示用于解釋模型預(yù)測(cè)的統(tǒng)一框架。反過(guò)來(lái)，可以繪制這些重要性值，并用于產(chǎn)生任何人都可以輕易解釋的漂亮可視化。在您閱讀時(shí)，您會(huì)注意到主題是可解釋性，以及為什么它在機(jī)器學(xué)習(xí)中如此迫切。

在本文中，我提供了一個(gè)外行人對(duì)其作者Scott Lundberg和Su-In Lee的原始論文的評(píng)論

目的

線性模型易于解釋。 考慮用于預(yù)測(cè)NBA球員薪水的經(jīng)典線性回歸模型（假設(shè)薪水完全基于每場(chǎng)比賽得分）：

我們簡(jiǎn)單地將其解釋為β1，即X對(duì)Y單位增加的平均影響。換句話說(shuō)，如果凱文杜蘭特得到27.5分，那么我們所要做的就是乘以β1來(lái)預(yù)測(cè)他的薪水。 使用線性模型，很明顯模型如何達(dá)到預(yù)測(cè)。

但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)呢，那里有重復(fù)的矩陣乘法和激活函數(shù)？ 我們?nèi)绾卧谳敵龅纳舷挛闹薪忉屵@一點(diǎn)？

隨著我們轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的模型，具有更高的準(zhǔn)確性，我們發(fā)現(xiàn)越來(lái)越難以解釋這些模型如何產(chǎn)生預(yù)測(cè)。 由于以下幾個(gè)原因，這是一個(gè)岌岌可危的困境：

·模型偏差是一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冏罱K可能會(huì)對(duì)決策產(chǎn)生不公平的影響。 一些數(shù)據(jù)存在內(nèi)在偏差，特別是在涉及種族和性別偏見(jiàn)時(shí)，這會(huì)對(duì)模型的預(yù)測(cè)產(chǎn)生負(fù)面影響。 由于沒(méi)有好的方法來(lái)解釋模型如何做出決定，因此很難確定這些固有的偏見(jiàn)。

·模型改進(jìn)也很困難如果您不知道要改進(jìn)什么。當(dāng)然，您可以調(diào)整超參數(shù)，直到獲得最佳分?jǐn)?shù)，但您擁有的數(shù)據(jù)類型更為重要。了解模型中不同特征的價(jià)值可為數(shù)據(jù)收集提供有價(jià)值的反饋，告知我們哪些類型的數(shù)據(jù)最重要.

·用戶信任對(duì)于采用人工智能系統(tǒng)非常重要。 在人工智能治理中心最近的一份報(bào)告中，作者報(bào)告說(shuō)："有更多的美國(guó)人認(rèn)為高級(jí)機(jī)器智能會(huì)比那些認(rèn)為對(duì)人類有益的人有害。"復(fù)雜模型的可解釋性有助于 更好的理解，建立模型如何做出決策的直覺(jué)，并最終產(chǎn)生用戶信任。

添加功能歸因方法

為了解釋更復(fù)雜的模型，我們需要一個(gè)更接近原始模型的簡(jiǎn)單解釋模型。

假設(shè)我們有一個(gè)形式為f（x）的復(fù)雜模型，那么解釋模型g（z'）≈f（x）。

稍微分解g（z'），我們將一些效應(yīng)φ?歸因于每個(gè)特征z'。 通過(guò)總結(jié)所有這些效果及其特征，我們可以近似原始模型的輸出。 這被定義為附加特征歸屬方法。 事實(shí)證明，其他當(dāng)前的解釋模型遵循相同的解釋模型，允許它們?nèi)拷y(tǒng)一到一個(gè)單一的框架中。

附加特征歸屬方法的屬性

1.局部精度：最重要的屬性之一是解釋模型能夠匹配原始模型的輸出。

2.缺失：如果缺少特征，則該特征沒(méi)有效果，或φ?= 0。

3.一致性：如果模型發(fā)生變化，使得特征貢獻(xiàn)增加或保持不變，那么特征屬性或φ?不應(yīng)減少。

這導(dǎo)致我們SHAP值，它統(tǒng)一了以前的方法，并展示了上述屬性。

SHAP值

SHAP值（φ?）用于描述特征的重要性。 請(qǐng)考慮以下圖表：

f(x)是模型預(yù)測(cè)的輸出，E[f(z)]是如果沒(méi)有特征則預(yù)測(cè)的基值。 換句話說(shuō)，E[f(z)]只是平均模型輸出。

當(dāng)我們包括一個(gè)特征x 1，然后φ1，解釋我們?nèi)绾螐幕档叫碌念A(yù)測(cè)值，現(xiàn)在由E [f（z）|給出。 z 1 = x 1]。 對(duì)剩余的變量x 1，x 2，x 3重復(fù)這個(gè)過(guò)程，估計(jì)φ1，φ2和φ3的SHAP值，顯示模型最終如何到達(dá)預(yù)測(cè)輸出f（x）。

不同口味的SHAP（different favours of SHAP）

SHAP有多種實(shí)現(xiàn)方式，每種方式都適用于特定的模型類型，可以實(shí)現(xiàn)更快的逼近。

·TreeExplainer

TreeExplainer專為樹(shù)集合方法開(kāi)發(fā)，如XGBoost，LightGBM或CatBoost。

·DeepExplainer

DeepExplainer是為深度學(xué)習(xí)模型開(kāi)發(fā)的，支持TensorFlow / Keras。

·GradientExplainer

GradientExplainer也是為深度學(xué)習(xí)模型中的SHAP值而開(kāi)發(fā)的，但速度比DeepExplainer慢，并且做出了不同的假設(shè)。 此方法基于Integrated Gradient歸因方法，并支持TensorFlow / Keras / PyTorch。

·KernelExplainer

KernelExplainer使用加權(quán)線性回歸近似任何類型模型的SHAP值。

使用特定于模型類型的算法（TreeExplainer，DeepExplainer）而不是通用KernelExplainer更快更有效。

總結(jié)

作者發(fā)現(xiàn)人類解釋和SHAP解釋之間的關(guān)聯(lián)比任何其他方法更強(qiáng)，這表明了SHAP的強(qiáng)大和直觀性。 計(jì)算出的SHAP值很容易在美觀，簡(jiǎn)單的圖中顯示，這些圖解釋了特征如何影響特定預(yù)測(cè)。 這使得SHAP成為一個(gè)令人信服的工具，可以自信地解釋和解釋任何模型。

有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)SHAP的教程，請(qǐng)查看我的筆記本，看看我們?nèi)绾谓忉対u變提升樹(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果。 SHAP github還提供了很多資源，可以提供有關(guān)如何實(shí)現(xiàn)DeepExplainer，KernelExplainer和其他有用功能的更多示例。