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HOPE: High-Order Polynomial Expansion of Black-Box Neural Networks

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作者
Tingxiong Xiao,Weihang Zhang,Yuxiao Cheng,Jinli Suo
出处
期刊:IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:46 (12): 7924-7939 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tpami.2024.3399197
摘要

Despite their remarkable performance, deep neural networks remain mostly "black boxes", suggesting inexplicability and hindering their wide applications in fields requiring making rational decisions. Here we introduce HOPE (High-order Polynomial Expansion), a method for expanding a network into a high-order Taylor polynomial on a reference input. Specifically, we derive the high-order derivative rule for composite functions and extend the rule to neural networks to obtain their high-order derivatives quickly and accurately. From these derivatives, we can then derive the Taylor polynomial of the neural network, which provides an explicit expression of the network's local interpretations. We combine the Taylor polynomials obtained under different reference inputs to obtain the global interpretation of the neural network. Numerical analysis confirms the high accuracy, low computational complexity, and good convergence of the proposed method. Moreover, we demonstrate HOPE's wide applications built on deep learning, including function discovery, fast inference, and feature selection. We compared HOPE with other XAI methods and demonstrated our advantages.
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