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Eine Vorhersage-Rigiditätsformalismus für kostengünstige Unsicherheiten in trainierten neuronalen Netzwerken


Kernkonzepte
Vorhersage-Rigiditäten bieten kostengünstige Unsicherheiten für trainierte Regressoren.
Zusammenfassung
Regression ist wichtig für wissenschaftliche und technologische Anwendungen. "Prediction rigidities" bieten Unsicherheiten für vorab trainierte Regressoren. Verbindung zu Bayes'scher Inferenz. Anwendung auf neuronale Netzwerke ohne Modifikationen. Effektivität auf verschiedenen Regressionstests. Unterschiede zu Ensemble-Methoden. Anwendung auf verschiedene Bereiche wie Chemie und Meteorologie. Theoretische Ableitung des Formalismus. Anwendung auf neuronale Netzwerke mit letzter Schicht als lineares Gaußsches Verfahren. Effiziente Näherung für Hesse-Matrix. Anwendung auf verschiedene Datensätze und Benchmarks. Anwendung auf Moleküle und Wettervorhersagen. Erkennung von Out-of-Domain-Daten. Vergleich mit anderen Unsicherheitsschätzmethoden.
Statistiken
Regression ist fundamental für wissenschaftliche und technologische Anwendungen. Unsicherheiten sind entscheidend in verschiedenen Anwendungen. State-of-the-art Unsicherheitsschätzmethoden sind teuer. Neue Methode bietet kostengünstige Unsicherheiten ohne Modifikationen. Verbindung zu Bayes'scher Inferenz. Anwendung auf neuronale Netzwerke.
Zitate
"Regression methods are fundamental for scientific and technological applications." "Based on the solution of a constrained optimization problem, we propose 'prediction rigidities' as a method to obtain uncertainties of arbitrary pre-trained regressors." "This extension affords cheap uncertainties without any modification to the neural network itself or its training procedure."

Wesentliche Erkenntnisse destilliert aus

by Filippo Bigi... bei arxiv.org 03-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.02251.pdf
A prediction rigidity formalism for low-cost uncertainties in trained  neural networks

Tiefere Untersuchungen

Wie kann der Vorhersage-Rigiditätsformalismus die Effizienz von Unsicherheitsschätzungen in neuronalen Netzwerken verbessern

Der Vorhersage-Rigiditätsformalismus verbessert die Effizienz von Unsicherheitsschätzungen in neuronalen Netzwerken, indem er eine Methode zur Schätzung von Unsicherheiten für beliebige vortrainierte Regressoren bietet. Dies geschieht durch die Lösung eines optimierten Problems, das die "Steifheit" der Vorhersagen des Modells anhand seines Trainingsdatensatzes reflektiert. Der Formalismus ermöglicht es, posteriori Unsicherheitsschätzungen für jedes trainierte Regressionsmodell zu erhalten, unabhängig von der Architektur oder der Art des Modells. Durch die Verwendung einer letzten Schicht Approximation, die auf der Theorie des linearisierten Trainings neuronaler Netzwerke basiert, kann der Formalismus effektiv auf neuronale Netzwerke angewendet werden. Dies ermöglicht die Schätzung von Unsicherheiten in neuronalen Netzwerken mit minimaler menschlicher und rechnerischer Anstrengung.

Welche potenziellen Auswirkungen hat die Anwendung dieses Formalismus auf verschiedene Anwendungsgebiete außerhalb von Chemie und Meteorologie

Die Anwendung dieses Formalismus auf verschiedene Anwendungsgebiete außerhalb von Chemie und Meteorologie könnte potenziell weitreichende Auswirkungen haben. In der Medizin könnte die Fähigkeit, Unsicherheiten in Vorhersagen zu quantifizieren, dazu beitragen, die Zuverlässigkeit von Diagnosen und Behandlungsplänen zu verbessern. Im Bereich des autonomen Fahrens könnten präzise Unsicherheitsschätzungen dazu beitragen, die Sicherheit und Effizienz autonomer Fahrzeuge zu erhöhen. In der Finanzwelt könnten genaue Unsicherheitsschätzungen dabei helfen, Risiken besser zu managen und fundierte Investitionsentscheidungen zu treffen. Darüber hinaus könnten in der Industrie Unsicherheitsschätzungen dazu beitragen, die Qualität von Prognosen und Entscheidungen zu verbessern und die Effizienz von Produktionsprozessen zu steigern.

Wie könnte die Integration von Unsicherheitspropagationsmechanismen die Anwendung dieses Formalismus erweitern

Die Integration von Unsicherheitspropagationsmechanismen könnte die Anwendung des Vorhersage-Rigiditätsformalismus erheblich erweitern. Durch die Propagierung von Unsicherheiten, entweder analytisch oder numerisch, könnten Unsicherheiten in den Eingangsdaten eines Modells auf die Vorhersagen übertragen werden. Dies würde es ermöglichen, Unsicherheiten in abgeleiteten Größen oder Funktionen des Regressors zu quantifizieren. Zum Beispiel könnten Unsicherheiten in den Ausgaben eines Modells für komplexe Workflows, die abgeleitete Größen generieren, numerisch erfasst werden. Diese Integration würde die Anwendbarkeit des Formalismus auf eine Vielzahl von Anwendungen erweitern und eine präzisere Unsicherheitsschätzung für abgeleitete Größen ermöglichen.
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