木ベースモデルの限界的な特徴の帰属について

Core Concepts

TreeSHAPアルゴリズムは実装不変性を持たず、異なるランキングを生成する。

Abstract

木ベースの機械学習モデルは、ランダムフォレストや勾配ブースティングされた木アンサンブルなどが非常に人気となっています。これらの方法は、局所的な特徴帰属を解釈するために使用されます。Shapley値やOwen値、Banzhaf値などのマージナル（介入）Shapleyに基づく局所的な特徴帰属法が真であり、実装不変であることが強調されています。しかし、TreeSHAPアルゴリズムはこの考え方と異なり、同じ関数を計算する2つの決定木が異なるランキングを生成し、実装不変性を欠いていることが示されています。また、木ベースモデルの内部構造を活用してマージナル特徴帰属を計算する方法やCatBoostモデルにおける対称性を利用した明示的な式も提案されています。

Stats

TreeSHAPアルゴリズムはO(|T|・L・D^2)の時間複雑度を持ちます。
Interventioal TreeSHAPアルゴリズムはO(|T|・L・|D*|)の時間複雑度です。

Quotes

TreeSHAPアルゴリズムは実装不変性を持たず、「path-dependent」TreeSHAPが異なる特徴のランキングを生成します。
CatBoostモデルでは対称であるため、マージナルShapley値について改善された複雑さと内部モデルパラメータだけで明示的な式が導かれます。

Key Insights Distilled From

On marginal feature attributions of tree-based models

by Khashayar Fi... at arxiv.org 03-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2302.08434.pdf

Deeper Inquiries

他の手法や分野から得られた知見から考えると、TreeSHAPアルゴリズムの実装不変性についてどう考えますか

TreeSHAPアルゴリズムの実装不変性について、他の手法や分野から得られた知見を考慮すると、以下のように考えることができます。
TreeSHAPアルゴリズムはモデル固有の内部パラメータ（葉の値や内部ノードでの分割比率など）を考慮しており、その結果はモデル自体に依存します。一方で実装不変性とは、同じ入力に対して同じ出力を生成する異なるモデルでも特徴帰属が一致するべきという原則です。この点から言えば、TreeSHAPは実装不変性を満たさない可能性があります。
具体的には、記事中で示された例では、同じ関数を計算する2つの決定木が異なる特徴帖付け結果を与えることが示されています。これは TreeSHAP がモデル構成に依存し、実装不変性を満たさない可能性があることを示唆しています。
したがって、他の手法や分野から得られた知見から考えると、TreeSHAPアルゴリズムは特定のモデル構造に影響される傾向があり、異なるモデル間で特徴帰属結果が一貫しない場合もあるかもしれません。

この記事ではTreeSHAPアプローチ以外にも局所的特徴帰属法が存在しますか

この記事では局所的特徴帰属法としてShapley値以外にも幾つか存在します。例えば、「LIME (Linear Interpretable Model-agnostic Explanation)」や「Anchors」という方法です。
それぞれ異なったアプローチや利点があります。

LIME: ローカルサンプリング方法でブラックボックス・モデル解釈可能
Anchors: ルールベース方法で説明内容確保
これらの手法は TreeSHAP のような局所的解釈手法ではありますが、「Shapley Additive exPlanations (SHAP)」 や 「Fast TreeSHAP」 などより総合的また洗練された理論基盤及び効率化技術等持ち合わせています。

それらはどんな違いや利点がありますか

この内容から派生して考えられる問題点や新しい展望は次の通りです：
問題点:

実装不変性: TreeSHAP アプローチでは実装不変性に欠けており，適切な改善策必要.
計算量: 特徴帯執行時，高度計算量発生．最適化戦略開発重要.

新展望:

改良アプローチ: 実装不変性確保しなくても正確・安定した局所的解釈提供能力開発.
効率化技術導入: 計算コスト低減目指す新技術採用．
拡張研究領域: 異種学問連動し，新規局所解釈フレーム作成．