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=量化神经网络中的因果结构=
 
=量化神经网络中的因果结构=
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=== 干预揭示因果结构 ===
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=== 干预揭示因果关系 ===
 
干预(也称为“扰动”)是揭示因果关系的关键工具。前馈深度神经网络(DNN)的因果关系集合(也称为“因果结构”)由多个层、层之间的连接以及节点的激活函数组成。我们引入了一套工具,用于探索一个假设:DNN的泛化能力取决于其因果结构如何适应所训练的任务(所有代码已公开,详见 https://github.com/ei-research-group/deep-ei )。
 
干预(也称为“扰动”)是揭示因果关系的关键工具。前馈深度神经网络(DNN)的因果关系集合(也称为“因果结构”)由多个层、层之间的连接以及节点的激活函数组成。我们引入了一套工具,用于探索一个假设:DNN的泛化能力取决于其因果结构如何适应所训练的任务(所有代码已公开,详见 https://github.com/ei-research-group/deep-ei )。
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此外,EI还可以被理解为衡量函数映射的“图像”如何帮助恢复“原像”,并且与Kolmogorov复杂度和VC熵有重要关系<ref>R. A. Fisher.  The Design of Experiments. The American Mathematical Monthly, 43(3):180, 1936.  ISSN 00029890. doi: 10.2307/2300364.</ref>。最重要的是,先前的研究表明,EI能够反映因果关系的重要特性,例如其确定性(缺乏噪声)或退化性(缺乏唯一性)<ref name=":0" />,而这些特性是标准互信息无法捕捉的。
 
此外,EI还可以被理解为衡量函数映射的“图像”如何帮助恢复“原像”,并且与Kolmogorov复杂度和VC熵有重要关系<ref>R. A. Fisher.  The Design of Experiments. The American Mathematical Monthly, 43(3):180, 1936.  ISSN 00029890. doi: 10.2307/2300364.</ref>。最重要的是,先前的研究表明,EI能够反映因果关系的重要特性,例如其确定性(缺乏噪声)或退化性(缺乏唯一性)<ref name=":0" />,而这些特性是标准互信息无法捕捉的。
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=== 测量层与层之间的有效信息 ===
 
首先我们介绍一种方法,用于测量深度神经网络中层与层之间的有效信息,从而捕捉一个层对另一个层的总联合效应。因此,我们从L1开始,L1是一组与L2有加权前馈连接的节点,我们假设所有节点都有一些激活函数,如sigmoid函数。为了测量EI,L1在最大熵<math>do(L_{1}=H^{\max})</math>处受到扰动,这意味着节点的所有激活都被迫进入随机选择的状态。<math>L_{1}=H^{\max}</math>最大限度地放大了L1中所有节点的同时和独立的最大熵扰动:
 
首先我们介绍一种方法,用于测量深度神经网络中层与层之间的有效信息,从而捕捉一个层对另一个层的总联合效应。因此,我们从L1开始,L1是一组与L2有加权前馈连接的节点,我们假设所有节点都有一些激活函数,如sigmoid函数。为了测量EI,L1在最大熵<math>do(L_{1}=H^{\max})</math>处受到扰动,这意味着节点的所有激活都被迫进入随机选择的状态。<math>L_{1}=H^{\max}</math>最大限度地放大了L1中所有节点的同时和独立的最大熵扰动:
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这个公式表示在L1被最大熵扰动的情况下,L1和L2之间的互信息。
 
这个公式表示在L1被最大熵扰动的情况下,L1和L2之间的互信息。
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=== 有效信息在不同激活函数中的表现 ===
 
EI可跨不同的常用激活函数进行扩展。图1a-c显示了两个节点a和B之间的单条边的EI,其中a→B的权重逐渐增加,每个面板显示了不同的激活函数(sigmoid、tanh、ReLU)。我们可以看到,对于每个具有给定激活函数的孤立边,都存在一条依赖于来自AtoB的连接权重的特征isticEIcurve,并且这条曲线的形状与所选的箱数(8、16、32和64)无关。在低权重下,EI表明B对a中的扰动不敏感,尽管这种敏感性在所有三个激活函数中都达到了峰值。然后,当权重饱和激活函数时,曲线会衰减,使B对A的扰动敏感。
 
EI可跨不同的常用激活函数进行扩展。图1a-c显示了两个节点a和B之间的单条边的EI,其中a→B的权重逐渐增加,每个面板显示了不同的激活函数(sigmoid、tanh、ReLU)。我们可以看到,对于每个具有给定激活函数的孤立边,都存在一条依赖于来自AtoB的连接权重的特征isticEIcurve,并且这条曲线的形状与所选的箱数(8、16、32和64)无关。在低权重下,EI表明B对a中的扰动不敏感,尽管这种敏感性在所有三个激活函数中都达到了峰值。然后,当权重饱和激活函数时,曲线会衰减,使B对A的扰动敏感。
    
请注意,特征峰值揭示了哪些权重代表(孤立考虑的连接)的强因果关系。例如,一个sigmoid激活函数在等于欧拉数的aweight处具有最具信息量的因果关系,一个tanh激活函数在权重coth(1)处具有信息量,一个ReLU激活函数在重量1处具有信息力。这表明DNN中最重要的权重可能是最具因果效力的,而不是绝对值最高的。例如,对于sigmoid激活函数和连接A→B的极高权重,A的激活对扰动的信息量不大,因为大多数扰动都会导致B的输出在1处饱和。     
 
请注意,特征峰值揭示了哪些权重代表(孤立考虑的连接)的强因果关系。例如,一个sigmoid激活函数在等于欧拉数的aweight处具有最具信息量的因果关系,一个tanh激活函数在权重coth(1)处具有信息量,一个ReLU激活函数在重量1处具有信息力。这表明DNN中最重要的权重可能是最具因果效力的,而不是绝对值最高的。例如,对于sigmoid激活函数和连接A→B的极高权重,A的激活对扰动的信息量不大,因为大多数扰动都会导致B的输出在1处饱和。     
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=== 多连接情况下的EI曲线 ===
 
在多个连接的情况下,EI曲线成为更高维度的EI歧管。图1d-f显示了由两个节点(A、B)组成的层的EI(A,B→C),每个节点都与C有一个连接。由于扰动会相互干扰,EI不仅取决于节点之间关系的敏感性,还取决于网络连接的重叠或通用性,从而形成流形。例如,在sigmoid激活函数中,EI流形大约是2倍对称的,这是由于sigmoid在正负权重周围的对称性,再加上网络本身的对称性(因为神经元A和Bony都连接到C)。
 
在多个连接的情况下,EI曲线成为更高维度的EI歧管。图1d-f显示了由两个节点(A、B)组成的层的EI(A,B→C),每个节点都与C有一个连接。由于扰动会相互干扰,EI不仅取决于节点之间关系的敏感性,还取决于网络连接的重叠或通用性,从而形成流形。例如,在sigmoid激活函数中,EI流形大约是2倍对称的,这是由于sigmoid在正负权重周围的对称性,再加上网络本身的对称性(因为神经元A和Bony都连接到C)。
  
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