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论文题目：《Why Should I Trust You? Explaining the Predictions of Any Classifier》

论文地址：https://chu-data-lab.github.io/CS8803Fall2018/CS8803-Fall2018-DML-Papers/lime.pdf

模型可解释性论文列表：https://github.com/oneTaken/awesome_deep_learning_interpretability

《Why Should I Trust You? Explaining the Predictions of Any Classifier》是 2016 年发表在 KDD 上的论文，至今被引用 2984 次。文中介绍了可以应用于任何分类模型的模型解释方法。

很多复杂的机器学习模型和深度学习模型，都被外界视为黑盒，如何对用户解释它的结果、评价其效果，让用户放心地使用，尤其是在医疗这种性命攸关的领域，对于模型推广至关重要。文中提出了用于解释分类模型的 LIME 方法。

在机器学习领域，一般在训练集上训练模型，用测试集（或验证集）评价模型，然后统计整体模型的准确性。但是测试集与实际场景中使用的数据往往存在一定差异。

对于单条实例，它的表现又如何？是否可以信任模型该次预测？例如对于准确率是 80% 的模型，如何确定本次的预测到底属于正确的 80%，还是错误的 20%。文中提出了解释和评价单次预测的方法 LIME，并通过对多个典型的实例的评价，将该方法延伸到评价整个模型 SP-LIME，并讨论了在什么情况下应该信任模型（模型的适用范围）。

人做决策时往往依赖其先验知识，以及知识背后的原因。评价模型有效性的重要方法是找到影响决策的关键特征，比如一段话中的重点单词，图片中的某些小块，如下图所示，LIME 方法找出了影响某一次决策的重要特征，其中绿色为相关特征，红色为重要特征。

评价单个实例 LIME

如果在建模的过程中出现一些泄露，比如 X（假设是 x1）里掺入了 y 的部分内容，或者数据集引起的偏差（如：男女不平等）。在实际应用中，这些 x1 又无法得到，那么在测试集中计算得出的模型准确度并不能说明模型的好坏。使用 LIME 方法寻找关键因素，如果发现 x1 是决定性因素，就很容易发现泄露问题。

另外，精确度并不是模型的唯一量度，有时需要从多个模型中选择出最佳模型，一般会选择整体正确率最高的模型，或者根据各个模型的准确率加权，最终方法对于单个实例未必是最优选择。对于单个实例，计算出决策的依据，并与人的先验知识印证，有利于选择对该实例效果最好的模型。在这样的交互过程中，开发者也能了解究竟哪些因素更能影响人的决策，从而优化模型。

开发者都希望在输入数据和输出数据间建立可解释的联系。但是复杂的机器学习模型或者深度学习建模中，相对比较困难，模型预测过程是成千上万参数共同作用的结果。希望最终呈现出来的是人能理解的，而非特征实际上怎么计算的细节，也不一定是输入的具体特征（如图片输入各像素点的颜色）。

实现 LIME 的具体方法是：在实例 x 附近加干扰，得到一些与它近似的实例 z，用训练出的模型 f 对这些 z 进行预测 f(z)，作为解释模型 g 的 label。代入模型，优化下面公式中定义的目标函数。对于邻近 x 的 z 给予较高的权重π，对于较远的 z 给予较低的权重π。

在分类问题中，f 可看作是实例 x 属于某分类的概率，即 f 是预测模型；g 是用于解释的模型；πx(z) 通过衡量实例 z 与 x 的近似度赋予实例权重；L 用于度量在局部范围π条件下，g 用于解释 f 的不可信度（越小越好）；Ω(g) 是模型 g 的复杂度。简单地讲：LIME 的目标是从众多的解释模型 G 中选择最合适的模型 g，该模型对于人类的理解足够简单（Ω(g) 小），且不可信度 L 也比较小（复杂模型 f 和简单模型 g 在 x 附近效果差不多）。

在直觉上看，下图示例是一个比较复杂的二分类，整体并不是线性可分的，通过训练得出了复杂的二分类模型 f，不同分类分别使用蓝色和肉色表示；对局部实例 x（粗红十字），通过在它附近模拟一些实例 z（十字和圆点），并且根据它们与 x 的距离赋予不同权重，用 z 和 x 训练简单的线性模型 g，用于在局部范围内拟合 x。再从简单模型 g 中提取可描述的特征。

L 的具体计算方法如下：

其中π根据距离赋予不同实例 z 权重，f(z) 是模型对 z 的预测值，z’是根据 z 计算的可解释的特征，g(z’) 是简单模型。

举个现实中的例子：假设最终训练出来了无比复杂强大的模型 f，它可以识别各种动物。各种动物有其各自的特征，各不相同，但是对于单个实例“猪”，必定有一些与它相关的重要特征（它是全部重要特征的子集）。生成猪和其类似动物作为数据，训练简单模型 g，用于学习与“猪”相关的重要特征。虽然 g 代表不了整个模型 f，但它能很好地描述“猪”。

文中方法把基础模型 f 当作黑盒，因此 LIME 方法可应用于任何分类模型。该方法可能出现的问题是：简单模型 g，即使在实例 x 附近也未必能完美地模拟 f。但是可以评价 g 在 x 附近对 f 的拟合程度，同样也可据此选择更适合的 g。

有些分类器虽然统计上看效果不错，但对于某类实例 x 可能效果并不好，如果通过上述方法提取的特征看起来并不合理，也可从而评价 f 对 x 实例预测的可信度，以便后期优化模型 f。

评价整个模型 SP-LIME

上述方法用于评价对单个实例预测的可信程度，如果需要评价整个模型，则需要评价多个实例。SP（submodular pick）方法用于在大量数据中选择适当的实例。

开发者希望被选择的实例能覆盖各种 label 类型，覆盖尽可能多的情况，且不冗余（不重复）。如下例所示：

图中的行代表各个文档（实例），列代表文档中出现的关键词（特征），图中通过各个特征在各个实例的重要性构造了矩阵 W。可以看到第二列特征对于每个文档都很重要（蓝色）；第二行和第五行涵盖了除 f1 特征之外的所有特征。

在构造实例集的过程中，尽量使用对各种情况都重要的特征 f2，也尽量减少纳入类似实例，如第二行和第三行就非常相似。这样，不会因为训练集中“猫”多，使猫相关的特征显得非常重要，而是相对均匀地选择重要特征。

分类模型的可解释性