对理解和分解学习的嵌入空间的兴趣正在增长。例如，最近基于概念的解释技术通过可解释的潜在组件分析机器学习模型。必须在模型的嵌入空间中发现此类组件，例如，通过独立的组件分析（ICA）或现代的分离学习技术。尽管这些无监督的方法提供了一个合理的正式框架，但它们要么需要访问数据生成功能，要么对数据分布（例如组件的独立性）施加严格的假设，而这些假设通常在实践中受到侵犯。在这项工作中，我们将视觉模型的概念解释性与解开学习和ICA联系起来。这使我们能够提供有关如何识别组件的第一个理论结果，而无需任何分配假设。从这些见解中，我们得出了与当前方法相比，它适用于更广泛的问题，但拥有正式的可识别性保证。在与组件分析和300多个最先进的分解模型的广泛比较中，即使在不同的分布和相关强度下，DA也稳定地保持了卓越的性能。

A grand goal in deep learning research is to learn representations capable of generalizing across distribution shifts. Disentanglement is one promising direction aimed at aligning a models representations with the underlying factors generating the data (e.g. color or background). Existing disentanglement methods, however, rely on an often unrealistic assumption: that factors are statistically independent. In reality, factors (like object color and shape) are correlated. To address this limitation, we propose a relaxed disentanglement criterion - the Hausdorff Factorized Support (HFS) criterion - that encourages a factorized support, rather than a factorial distribution, by minimizing a Hausdorff distance. This allows for arbitrary distributions of the factors over their support, including correlations between them. We show that the use of HFS consistently facilitates disentanglement and recovery of ground-truth factors across a variety of correlation settings and benchmarks, even under severe training correlations and correlation shifts, with in parts over +60% in relative improvement over existing disentanglement methods. In addition, we find that leveraging HFS for representation learning can even facilitate transfer to downstream tasks such as classification under distribution shifts. We hope our original approach and positive empirical results inspire further progress on the open problem of robust generalization.

本文提出了在适当的监督信息下进行分解的生成因果代表（亲爱的）学习方法。与实施潜在变量独立性的现有分解方法不同，我们考虑了一种基本利益因素可以因果关系相关的一般情况。我们表明，即使在监督下，先前具有独立先验的方法也无法解散因果关系。在这一发现的激励下，我们提出了一种称为DEAR的新的解开学习方法，该方法可以使因果可控的产生和因果代表学习。这种新公式的关键要素是使用结构性因果模型（SCM）作为双向生成模型的先验分布。然后，使用合适的GAN算法与发电机和编码器共同训练了先验，并与有关地面真相因子及其基本因果结构的监督信息合并。我们提供了有关该方法的可识别性和渐近收敛性的理论理由。我们对合成和真实数据集进行了广泛的实验，以证明DEAR在因果可控生成中的有效性，以及在样本效率和分布鲁棒性方面，学到的表示表示对下游任务的好处。

The key idea behind the unsupervised learning of disentangled representations is that real-world data is generated by a few explanatory factors of variation which can be recovered by unsupervised learning algorithms. In this paper, we provide a sober look at recent progress in the field and challenge some common assumptions. We first theoretically show that the unsupervised learning of disentangled representations is fundamentally impossible without inductive biases on both the models and the data. Then, we train more than 12 000 models covering most prominent methods and evaluation metrics in a reproducible large-scale experimental study on seven different data sets. We observe that while the different methods successfully enforce properties "encouraged" by the corresponding losses, well-disentangled models seemingly cannot be identified without supervision. Furthermore, increased disentanglement does not seem to lead to a decreased sample complexity of learning for downstream tasks. Our results suggest that future work on disentanglement learning should be explicit about the role of inductive biases and (implicit) supervision, investigate concrete benefits of enforcing disentanglement of the learned representations, and consider a reproducible experimental setup covering several data sets.

Explainable AI transforms opaque decision strategies of ML models into explanations that are interpretable by the user, for example, identifying the contribution of each input feature to the prediction at hand. Such explanations, however, entangle the potentially multiple factors that enter into the overall complex decision strategy. We propose to disentangle explanations by finding relevant subspaces in activation space that can be mapped to more abstract human-understandable concepts and enable a joint attribution on concepts and input features. To automatically extract the desired representation, we propose new subspace analysis formulations that extend the principle of PCA and subspace analysis to explanations. These novel analyses, which we call principal relevant component analysis (PRCA) and disentangled relevant subspace analysis (DRSA), optimize relevance of projected activations rather than the more traditional variance or kurtosis. This enables a much stronger focus on subspaces that are truly relevant for the prediction and the explanation, in particular, ignoring activations or concepts to which the prediction model is invariant. Our approach is general enough to work alongside common attribution techniques such as Shapley Value, Integrated Gradients, or LRP. Our proposed methods show to be practically useful and compare favorably to the state of the art as demonstrated on benchmarks and three use cases.

这项工作介绍了一种新颖的原则，我们通过机制稀疏正规调用解剖学，基于高级概念的动态往往稀疏的想法。我们提出了一种表示学习方法，可以通过同时学习与它们相关的潜在因子和稀疏因果图形模型来引起解剖学。我们开发了一个严谨的可识别性理论，建立在最近的非线性独立分量分析（ICA）结果中，结果是模拟这一原理，并展示了如何恢复潜在变量，如果一个规则大致潜在机制为稀疏，如果某些图形连接标准通过数据生成过程满足。作为我们框架的特殊情况，我们展示了如何利用未知目标的干预措施来解除潜在因子，从而借鉴ICA和因果关系之间的进一步联系。我们还提出了一种基于VAE的方法，其中通过二进制掩码来学习和正规化潜在机制，并通过表明它学会在模拟中的解散表示来验证我们的理论。

在关键安全应用中，当没有可解释的解释时，从业者不愿信任神经网络。许多尝试提供此类解释的尝试围绕基于像素的属性或使用先前已知的概念。在本文中，我们旨在通过证明\ emph {高级，以前未知的地面概念}来提供解释。为此，我们提出了一个概率建模框架来得出（c）插入（l）收入和（p）rediction（clap） - 基于VAE的分类器，该分类器使用可视上可解释的概念作为简单分类器的预测指标。假设是基本概念的生成模型，我们证明拍手能够在达到最佳分类精度的同时识别它们。我们对合成数据集的实验验证了拍手确定合成数据集的不同基础真相概念，并在医疗胸部X射线数据集上产生有希望的结果。

因果表示学习是识别基本因果变量及其从高维观察（例如图像）中的关系的任务。最近的工作表明，可以从观测的时间序列中重建因果变量，假设它们之间没有瞬时因果关系。但是，在实际应用中，我们的测量或帧速率可能比许多因果效应要慢。这有效地产生了“瞬时”效果，并使以前的可识别性结果无效。为了解决这个问题，我们提出了ICITRI，这是一种因果表示学习方法，当具有已知干预目标的完美干预措施时，可以在时间序列中处理瞬时效应。 Icitris从时间观察中识别因果因素，同时使用可区分的因果发现方法来学习其因果图。在三个视频数据集的实验中，Icitris准确地识别了因果因素及其因果图。

从视觉观察中了解动态系统的潜在因果因素被认为是对复杂环境中推理的推理的关键步骤。在本文中，我们提出了Citris，这是一种变异自动编码器框架，从图像的时间序列中学习因果表示，其中潜在的因果因素可能已被干预。与最近的文献相反，Citris利用了时间性和观察干预目标，以鉴定标量和多维因果因素，例如3D旋转角度。此外，通过引入归一化流，可以轻松扩展柑橘，以利用和删除已验证的自动编码器获得的删除表示形式。在标量因果因素上扩展了先前的结果，我们在更一般的环境中证明了可识别性，其中仅因果因素的某些成分受干预措施影响。在对3D渲染图像序列的实验中，柑橘类似于恢复基本因果变量的先前方法。此外，使用预验证的自动编码器，Citris甚至可以概括为因果因素的实例化，从而在SIM到现实的概括中开放了未来的研究领域，以进行因果关系学习。

可解释的人工智能（XAI）的新兴领域旨在为当今强大但不透明的深度学习模型带来透明度。尽管本地XAI方法以归因图的形式解释了个体预测，从而确定了重要特征的发生位置（但没有提供有关其代表的信息），但全局解释技术可视化模型通常学会的编码的概念。因此，两种方法仅提供部分见解，并留下将模型推理解释的负担。只有少数当代技术旨在将本地和全球XAI背后的原则结合起来，以获取更多信息的解释。但是，这些方法通常仅限于特定的模型体系结构，或对培训制度或数据和标签可用性施加其他要求，这实际上使事后应用程序成为任意预训练的模型。在这项工作中，我们介绍了概念相关性传播方法（CRP）方法，该方法结合了XAI的本地和全球观点，因此允许回答“何处”和“ where”和“什么”问题，而没有其他约束。我们进一步介绍了相关性最大化的原则，以根据模型对模型的有用性找到代表性的示例。因此，我们提高了对激活最大化及其局限性的共同实践的依赖。我们证明了我们方法在各种环境中的能力，展示了概念相关性传播和相关性最大化导致了更加可解释的解释，并通过概念图表，概念组成分析和概念集合和概念子区和概念子区和概念子集和定量研究对模型的表示和推理提供了深刻的见解。它们在细粒度决策中的作用。

无负的对比度学习吸引了很多关注，以简单性和令人印象深刻的表现，以进行大规模预处理。但是它的解散财产仍未得到探索。在本文中，我们采用不同的无负对比度学习方法来研究这种自我监督方法的分离特性。我们发现现有的分离指标无法对高维表示模型进行有意义的测量，因此我们根据表示因素和数据因素之间的相互信息提出了一个新的分解指标。通过拟议的指标，我们首次在流行的合成数据集和现实世界数据集Celeba上首次基于无效的对比度学习的删除属性。我们的研究表明，研究的方法可以学习一个明确的表示子集。我们首次将对分离的表示学习的研究扩展到高维表示空间和无效的对比度学习。建议的度量标准的实现可在\ url {https://github.com/noahcao/disentangeslement_lib_med}中获得。

Disentangement是代表学习的有用财产，其提高了种子自动编码器（VAE），生成对抗模型等变形式自动编码器（VAE），生成的对抗模型及其许多变体的可解释性。通常在这种模型中，脱离性能的增加是具有发电质量的交易。在潜空间模型的背景下，这项工作提出了一种表示学习框架，通过鼓励正交的变化方向明确地促进解剖。所提出的目标是自动编码器错误项的总和以及特征空间中的主成分分析重建错误。这具有对具有在Stiefel歧管上的特征向量矩阵的限制内核机器的解释。我们的分析表明，这种结构通过将潜在空间中的主路线与数据空间的正交变化的方向匹配来促进解剖。在交替的最小化方案中，我们使用Cayley ADAM算法 - Stiefel歧管的随机优化方法以及ADAM优化器。我们的理论讨论和各种实验表明，拟议的模型在代质量和解除戒备的代表学习方面提高了许多VAE变体。

当前独立于域的经典计划者需要问题域和实例作为输入的符号模型，从而导致知识采集瓶颈。同时，尽管深度学习在许多领域都取得了重大成功，但知识是在与符号系统（例如计划者）不兼容的亚符号表示中编码的。我们提出了Latplan，这是一种无监督的建筑，结合了深度学习和经典计划。只有一组未标记的图像对，显示了环境中允许的过渡子集（训练输入），Latplan学习了环境的完整命题PDDL动作模型。稍后，当给出代表初始状态和目标状态（计划输入）的一对图像时，Latplan在符号潜在空间中找到了目标状态的计划，并返回可视化的计划执行。我们使用6个计划域的基于图像的版本来评估LATPLAN：8个插头，15个式嘴，Blockworld，Sokoban和两个LightsOut的变体。

The framework of variational autoencoders allows us to efficiently learn deep latent-variable models, such that the model's marginal distribution over observed variables fits the data. Often, we're interested in going a step further, and want to approximate the true joint distribution over observed and latent variables, including the true prior and posterior distributions over latent variables. This is known to be generally impossible due to unidentifiability of the model. We address this issue by showing that for a broad family of deep latentvariable models, identification of the true joint distribution over observed and latent variables is actually possible up to very simple transformations, thus achieving a principled and powerful form of disentanglement. Our result requires a factorized prior distribution over the latent variables that is conditioned on an additionally observed variable, such as a class label or almost any other observation. We build on recent developments in nonlinear ICA, which we extend to the case with noisy or undercomplete observations, integrated in a maximum likelihood framework. The result also trivially contains identifiable flow-based generative models as a special case.

传统的监督学习方法，尤其是深的学习方法，发现对分发超出（OOD）示例敏感，主要是因为所学习的表示与由于其域特异性相关性的变异因子混合了语义因素，而只有语义因子导致输出。为了解决这个问题，我们提出了一种基于因果推理的因果语义生成模型（CSG），以便分别建模两个因素，以及从单个训练域中的oo ood预测的制定方法，这是常见和挑战的。该方法基于因果不变原理，在变形贝斯中具有新颖的设计，用于高效学习和易于预测。从理论上讲，我们证明，在某些条件下，CSG可以通过拟合训练数据来识别语义因素，并且这种语义识别保证了泛化概率的界限和适应的成功。实证研究表明，改善了卓越的基线表现。

变异因素之间的相关性在现实数据中普遍存在。机器学习算法可能会受益于利用这种相关性，因为它们可以提高噪声数据的预测性能。然而，通常这种相关性不稳定（例如，它们可能在域，数据集或应用程序之间发生变化），我们希望避免利用它们。解剖学方法旨在学习捕获潜伏子空间变化不同因素的表示。常用方法涉及最小化潜伏子空间之间的相互信息，使得每个潜在的底层属性。但是，当属性相关时，这会失败。我们通过强制执行可用属性上的子空间之间的独立性来解决此问题，这允许我们仅删除不导致的依赖性，这些依赖性是由于训练数据中存在的相关结构。我们通过普发的方法实现这一目标，以最小化关于分类变量的子空间之间的条件互信息（CMI）。我们首先在理论上展示了CMI最小化是对高斯数据线性问题的稳健性解剖的良好目标。然后，我们基于MNIST和Celeba在现实世界数据集上应用我们的方法，并表明它会在相关偏移下产生脱屑和强大的模型，包括弱监督设置。

鉴于部署更可靠的机器学习系统的重要性，研究界内的机器学习模型的解释性得到了相当大的关注。在计算机视觉应用中，生成反事实方法表示如何扰乱模型的输入来改变其预测，提供有关模型决策的详细信息。目前的方法倾向于产生关于模型决策的琐碎的反事实，因为它们通常建议夸大或消除所分类的属性的存在。对于机器学习从业者，这些类型的反事件提供了很少的价值，因为它们没有提供有关不期望的模型或数据偏差的新信息。在这项工作中，我们确定了琐碎的反事实生成问题，我们建议潜水以缓解它。潜水在使用多样性强制损失限制的解除印章潜在空间中学习扰动，以发现关于模型预测的多个有价值的解释。此外，我们介绍一种机制，以防止模型产生微不足道的解释。 Celeba和Synbols的实验表明，与先前的最先进的方法相比，我们的模型提高了生产高质量有价值解释的成功率。代码可在https://github.com/elementai/beyond- trial-explanations获得。

这是一门专门针对STEM学生开发的介绍性机器学习课程。我们的目标是为有兴趣的读者提供基础知识，以在自己的项目中使用机器学习，并将自己熟悉术语作为进一步阅读相关文献的基础。在这些讲义中，我们讨论受监督，无监督和强化学习。注释从没有神经网络的机器学习方法的说明开始，例如原理分析，T-SNE，聚类以及线性回归和线性分类器。我们继续介绍基本和先进的神经网络结构，例如密集的进料和常规神经网络，经常性的神经网络，受限的玻尔兹曼机器，（变性）自动编码器，生成的对抗性网络。讨论了潜在空间表示的解释性问题，并使用梦和对抗性攻击的例子。最后一部分致力于加强学习，我们在其中介绍了价值功能和政策学习的基本概念。

对于使用高性能机器学习算法通常不透明的决策，人们越来越担心。用特定于领域的术语对推理过程的解释对于在医疗保健等风险敏感领域中采用至关重要。我们认为，机器学习算法应该可以通过设计来解释，并且表达这些解释的语言应与域和任务有关。因此，我们将模型的预测基于数据的用户定义和特定于任务的二进制函数，每个都对最终用户有明确的解释。然后，我们最大程度地减少了在任何给定输入上准确预测所需的预期查询数。由于解决方案通常是棘手的，因此在事先工作之后，我们根据信息增益顺序选择查询。但是，与以前的工作相反，我们不必假设查询在有条件地独立。取而代之的是，我们利用随机生成模型（VAE）和MCMC算法（未经调整的Langevin）来选择基于先前的查询 - 答案的输入的最有用的查询。这使得在线确定要解决预测歧义所需的任何深度的查询链。最后，关于视觉和NLP任务的实验证明了我们的方法的功效及其优越性比事后解释的优势。

反事实可以以人类的可解释方式解释神经网络的分类决策。我们提出了一种简单但有效的方法来产生这种反事实。更具体地说，我们执行合适的差异坐标转换，然后在这些坐标中执行梯度上升，以查找反事实，这些反事实是由置信度良好的指定目标类别分类的。我们提出了两种方法来利用生成模型来构建完全或大约差异的合适坐标系。我们使用Riemannian差异几何形状分析了生成过程，并使用各种定性和定量测量方法验证了生成的反事实质量。