×

基于拉格朗日技术的连续深度模型的鲁棒性分析。 (英语) Zbl 1528.68231号

Raskin,Jean-François(编辑)等人,《系统设计原则》。在托马斯·亨辛格60岁生日之际为他撰写的论文。查姆:斯普林格。莱克特。注释计算。科学。13660, 625-649 (2022).
摘要:本文以统一的方式介绍了确定性和统计拉格朗日验证技术。他们正式量化了任何时间连续过程的行为稳健性,并将其表示为连续深度模型。为此,我们回顾了LRT-NG、SLR和GoTube算法,这些算法用于构造紧可达管,即给定时间范围内可达状态集的过近似,并为可达管边界提供了保证。我们比较了与系统方程、中值定理和Lipschitz常数相关的变分方程在实现确定性和统计保证方面的用途。在LRT-NG中,Lipschitz常数被用作初始扰动的膨胀因子,以计算最优度量中椭球的半径,该度量过逼近可达状态集。在SLR和GoTube中,我们通过使用Lipschitz常数计算样本周围的局部球来获得统计保证。需要这些来计算在每个时间步长找到真实最大摄动上限的概率。与LRT、Flow*和CAPD相比,我们的实验证明了拉格朗日技术的优越性能,并说明了它们在各种连续深度模型的鲁棒性分析中的应用。
有关整个系列,请参见[Zbl 1516.68022号].

MSC公司:

60年第68季度 规范和验证(程序逻辑、模型检查等)
68T05型 人工智能中的学习和自适应系统
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Abeyaratne,R.:连续介质力学。弹性固体力学讲义(1998)
[2] Athalye,A.,Carlini,N.,Wagner,D.:模糊的梯度给人一种虚假的安全感:将防御规避到对抗性的例子中。摘自:ICML,第274-283页。PMLR(2018)
[3] 贝克·S。;Tran,H-D;霍布斯,K。;约翰逊,TT;拉希里,斯洛伐克;Wang,C.,用于验证ReLU神经网络的改进几何路径枚举,计算机辅助验证,66-96(2020),Cham:Springer,Cham·Zbl 1478.68142号 ·doi:10.1007/978-3-030-53288-84
[4] Bhowmick,A.,D’Souza,M.,Raghavan,G.S.:LipBaB:计算ReLU网络的精确Lipschitz常数。arXiv预打印arXiv:2105.05495(2021)
[5] Bortolussi,L。;Sanguinetti,G。;诺曼,G。;Sanders,W.,《计算非线性和随机动力系统可达性的统计方法》,《系统定量评估》,41-56(2014),Cham:Springer,Cham·doi:10.1007/978-3-319-10696-05
[6] Bunel,R.等人:用于神经网络验证的拉格朗日分解。收录于:阿拉伯联合酋长国,第370-379页。PMLR(2020年)
[7] 布内尔,R。;Mudigonda,P。;特克斯兰,I。;托尔,P。;卢,J。;Kohli,P.,分段线性神经网络验证的分支与界限,JMLR,21,2020,1-39(2020)·Zbl 1498.68153号
[8] Bunel,R.R.、Turkaslan,I.、Torr,P.、Kohli,P.和Mudigonda,P.K.:分段线性神经网络验证的统一观点。收录人:Bengio,S.、Wallach,H.、Larochelle,H.,Grauman,K.、Cesa-Bianchi,N.、Garnett,R.(编辑)NeurIPS。第31卷。柯兰联合公司(2018)。https://proceedings.neurips.cc/paper/2018/file/be53d253d6bc3258a8160556dda3e9b2-paper.pdf
[9] Chen,T.Q.,Rubanova,Y.,Bettencourt,J.,Duvenaud,D.K.:神经常微分方程。收录于:Bengio,S.、Wallach,H.、Larochelle,H.,Grauman,K.、Cesa-Bianchi,N.、Garnett,R.(编辑)NeurIPS 31,第6571-6583页。Curran Associates,Inc.(2018年)
[10] 陈,X。;E·阿尔布拉哈姆。;桑卡拉纳拉亚南,S。;北卡罗来纳州Sharygina。;Veith,H.,Flow*:非线性混合系统分析仪,计算机辅助验证,258-263(2013),海德堡:施普林格·doi:10.1007/978-3-642-39799-8_18
[11] Cyranka,J。;伊斯兰,马萨诸塞州;拜恩,G。;琼斯,P。;南非斯莫尔卡;格罗苏,R。;马朱姆达尔,R。;Kunčak,V.,拉格朗日可达性,计算机辅助验证,379-400(2017),查姆:施普林格,查姆·Zbl 1497.93011号 ·doi:10.1007/978-3-319-63387-9_19
[12] Cyranka,J.,Islam,M.A.,Smolka,S.A.,Gao,S.,Grosu,R.:拉格朗日可达性的紧连续时间可达管。摘自:CDC,第6854-6861页。IEEE(2018)
[13] De Palma,A.等人:通过拉格朗日分解改进神经网络验证的分支和界限。arXiv预打印arXiv:2104.06718(2021)
[14] Devonport,A。;哈立德,M。;Arcak,M。;Zamani,M。;拉希里,斯洛伐克;Wang,C.,PIRK:高维非线性系统的可伸缩区间可达性分析,计算机辅助验证,556-568(2020),Cham:Springer,Cham·doi:10.1007/978-3-030-53288-827
[15] A.Donzé。;Touili,T。;库克,B。;Jackson,P.,Breach,混合系统验证和参数合成工具箱,计算机辅助验证,167-170(2010),海德堡:施普林格·doi:10.1007/978-3-642-14295-617
[16] A.Donzé。;马勒,O。;Bemporad,A。;比奇,A。;Buttazzo,G.,《使用灵敏度分析进行系统仿真》,《混合系统:计算与控制》,174-189(2007),海德堡:施普林格出版社·Zbl 1221.93105号 ·doi:10.1007/978-3-540-711493-4_16
[17] Duggirala,PS;密特拉,S。;维斯瓦纳坦,M。;波托克,M。;拜尔,C。;Tinelli,C.,C2E2:状态流模型验证工具,系统构建和分析的工具和算法,68-82(2015),海德堡:施普林格·doi:10.1007/978-3-662-46681-05
[18] 埃勒斯,R。;D’Souza,D。;Narayan Kumar,K.,分段线性前馈神经网络的形式验证,验证和分析自动化技术,269-286(2017),Cham:Springer,Cham·Zbl 1495.68131号 ·电话:10.1007/978-3-319-68167-2_19
[19] Enszer,J.A.,Stadtherr,M.A.:生理模型中不确定性的验证解决方案和传播。Reliab公司。计算。15(3), 168-178 (2011). http://interval.louisiana.edu/reliable-computing-journal/volume-15/no-3/reliable-computing-15-pp-168-178.pdf
[20] Erichson,N.B.,Azencot,O.,Queiruga,A.,Mahoney,M.W.:Lipschitz递归神经网络。arXiv预印arXiv:2006.12070(2020)
[21] Fan,C.,Kapinski,J.,Jin,X.,Mitra,S.:非线性系统的局部最优可达集过逼近。摘自:ICES,EMSOFT 2016,第6:1-6:10页。ACM,纽约(2016)
[22] 风扇,C。;卡宾斯基,J。;金,X。;Mitra,S.,使用矩阵度量的模拟驱动可达性,ACM Trans。嵌入。计算。系统。,17, 1, 1-28 (2017) ·doi:10.1145/3126685
[23] 风扇,C。;密特拉,S。;Finkbeiner,B。;Pu,G。;Zhang,L.,带实时差异计算的有界验证,验证和分析自动化技术,446-463(2015),Cham:Springer,Cham·Zbl 1471.68140号 ·数字对象标识代码:10.1007/978-3-319-24953-7_32
[24] Fazlyab,M.、Robey,A.、Hassani,H.、Morari,M.和Pappas,G.:深度神经网络的Lipschitz常数的高效准确估计。收录人:Wallach,H.、Larochelle,H.,Beygelzimer,A.、d’Alché-Buc,F.、Fox,E.、Garnett,R.(编辑)NeurIPS。第32卷。柯兰联合公司(2019)。https://proceedings.neurips.cc/paper/2019/file/95e1533eb1b20a97777749fb94fdb944-paper.pdf
[25] Finlay,C.,Jacobsen,J.H.,Nurbeyan,L.,Oberman,A.:如何训练你的神经ODE:雅可比和动力学正则化的世界。摘自:ICML,第3154-3164页。PMLR(2020年)
[26] Fränzle,M.,Hahn,E.,Hermanns,H.,Wolovick,N.,Zhang,L.:随机混杂系统的可测性和安全验证。收录于:HSCC,第43-52页(2011年)·兹比尔1362.68170
[27] Gao,S.、Kong,S.和Clarke,E.M.:可满足模码。In:2013计算机辅助设计中的形式方法,第105-112页(2013)
[28] Goodfellow,I.J.,Shlens,J.,Szegedy,C.:解释和利用对抗性例子。arXiv预印本arXiv:1412.6572(2014)
[29] Gowal,S.等人:关于区间界传播在训练可验证鲁棒模型方面的有效性。arXiv预印arXiv:1810.12715(2018)
[30] Gruenbacher,S.、Cyranka,J.、Islam,M.A.、Tschaikowski,M.、Smolka,S.和Grosu,R.:《独立拉格朗日可达性工具下》。EPiC计算机系列,第61卷(2019年)
[31] Gruenbacher,S.、Cyranka,J.、Lechner,M.、Islam,M.A.、Smolka,S.A.、Grosu,R.:拉格朗日人达到了下一代。收录于:CDC,第1556-1563页(2020年)
[32] Gruenbacher,S.,Hasani,R.,Lechner,M.,Cyranka,J.,Smolka,S.A.,Grosu,R.:关于具有随机保证的神经码的验证。收录于:AAAI 35(13),第11525-11535页(2021)
[33] Gruenbacher,S.等人:GoTube:连续深度模型的可扩展随机验证。CoRR abs/2107.08467(2021)。https://arxiv.org/abs/2107.08467
[34] 古龙,A。;雷·R。;Bartocci,E。;Bogomolov,S。;Grosu,R.,《XSpeed中混合系统的并行可达性分析》,国际期刊Softw。技术工具。传输。,21, 4, 401-423 (2019) ·doi:10.1007/s10009-018-0485-6
[35] Hansen,E。;Walster,GW,《使用区间分析进行全局优化:修订和扩展》(2003),博卡拉顿:CRC出版社,博卡拉通·doi:10.1201/9780203026922
[36] Hansen,N。;Ostermier,A.,《进化策略中的完全错乱的自我适应》,Evol。计算。,9, 2, 159-195 (2001) ·doi:10.1162/106365601750190398
[37] Hasani,R.,Lechner,M.,Amini,A.,Rus,D.,Grosu,R.:自然彩票中奖者:普通神经回路的强化学习。输入:ICML。JMLR.org(2020)
[38] Hasani,R.、Lechner,M.、Amini,A.、Rus,D.、Grosu,R.:液体时间常数网络。输入:AAAI 35(9)(2021)
[39] Henriksen,P.,Lomuscio,A.:通过自适应细化和对抗性搜索进行有效的神经网络验证。摘自:ECAI 2020,第2513-2520页。IOS出版社(2020)
[40] Henzinger,T.A.、Lechner,M.、Zikelic,D.:量化神经网络的可缩放验证。收录于:AAAI,第35卷,第3787-3795页(2021年)
[41] Hladik,M。;Daney,D。;Tsigaridas,E.,区间矩阵实特征值和奇异值的界,SIAM J.矩阵分析。申请。,31, 4, 2116-2129 (2010) ·Zbl 1203.65076号 ·doi:10.1137/090753991
[42] 黄,C。;陈,X。;Lin,W。;杨,Z。;Li,X.,使用屏障证书对随机混合系统进行概率安全验证,ACM Trans。嵌入。计算。系统。,16, 5, 1-19 (2017) ·数字对象标识代码:10.1145/3126508
[43] 伊格尔,C。;汉森,N。;Roth,S.,多目标优化协方差矩阵自适应,Evol。计算。,15, 1, 1-28 (2007) ·doi:10.1162/evco.2007.15.1.1
[44] 艾姆勒,F。;拜尔,C。;Tinelli,C.,《连续系统的验证可达性分析,系统构建和分析的工具和算法》,37-51(2015),海德堡:斯普林格·doi:10.1007/978-3-662-46681-03
[45] Kapela,T.、Mrozek,M.、Wilczak,D.、Zgliczynski,P.:CAPD::DynSys:一个用于动力系统严格数值分析的灵活C++工具箱。印前(2020年)。网址:ww2.ii.uj.edu.pl·Zbl 1473.37004号
[46] Katz,G。;巴雷特,C。;迪尔,DL;朱利安,K。;MJ Kochenderfer;马朱姆达尔,R。;Kunčak,V.,Reluplex:验证深层神经网络的高效SMT解算器,计算机辅助验证,97-117(2017),Cham:Springer,Cham·Zbl 1494.68167号 ·doi:10.1007/978-3-319-63387-95
[47] 德国科瓦索夫;Sergeyev,YD,Lipschitz控制问题中的全局优化方法,Autom。遥控器,74,9,1435-1448(2013)·Zbl 1282.90138号 ·doi:10.1134/S0005117913090014
[48] Lechner,M.,Hasani,R.:学习不规则采样时间序列中的长期依赖性。arXiv预印本arXiv:2006.04418(2020)
[49] Lechner,M。;哈萨尼,R。;阿米尼,A。;TA Henzinger;罗斯·D。;Grosu,R.,《实现可审计自治的神经电路政策》,Nat.MI,2,10,642-652(2020)
[50] Lechner,M.、Hasani,R.、Grosu,R.,Rus,D.、Henzinger,T.A.:机器人学习还没有准备好对抗训练。arXiv预打印arXiv:2103.08187(2021)
[51] 李,D。;贝克·S。;Bogomolov,S。;北伯特兰。;Jansen,N.,《使用杂交和动力学标度的非线性系统可达性分析》,《时间系统的形式化建模与分析》,265-282(2020),查姆:斯普林格,查姆·Zbl 07317102号 ·doi:10.1007/978-3-030-57628-8_16
[52] Lohner,R.:普通初值和边值问题解的保证封闭计算。In:计算常微分方程。牛津克拉伦登出版社(1992)·Zbl 0767.65069号
[53] Lu,J.,Mudigonda,P.:用于神经网络验证的神经网络分支。In:ICLR 2020。开放审查(2020年)
[54] Malherbe,C.,Vayatis,N.:Lipschitz函数的全局优化。摘自:第34届ICML会议记录,ICML 2017,第70卷,第2314-2323页。JMLR.org(2017)
[55] Meyer,P.J.,Devonport,A.,Arcak,M.:TIRA:区间可达性分析工具箱。参见:HSCC 2019,第224-229页。纽约计算机械协会(2019年)·Zbl 07120158号
[56] Mirman,M.,Gehr,T.,Vechev,M.:可证明鲁棒神经网络的可微抽象解释。摘自:ICML,第3578-3586页。PMLR(2018)
[57] Nair,V.,Hinton,G.E.:整流线性单元改善了受限的Boltzmann机器。收录于:ICML,第807-814页(2010年)
[58] Nedialkov,N。;杰克逊,K。;Corliss,G.,常微分方程初值问题的验证解,应用。数学。计算。,105, 1, 21-68 (1999) ·Zbl 0934.65073号
[59] Neumaier,A.,《连续全局优化和约束满足中的完全搜索》,《数值学报》,第13期,第271-369页(2004年)·Zbl 1113.90124号 ·doi:10.1017/S0962492904000194
[60] Rohn,J.:区间矩阵本征值的界。扎姆兹。安圭。数学。机械。78, 1049-1050 (1998) ·Zbl 0925.65068号
[61] Rump,SM,多个或几乎多个特征值的计算误差界,线性代数应用。,324, 1, 209-226 (2001) ·Zbl 0986.65031号 ·doi:10.1016/S0024-3795(00)00279-2
[62] Salman,H.、Yang,G.、Zhang,H.,Hsieh,C.J.、Zheng,P.:神经网络严密鲁棒性验证的凸松弛屏障。收录人:Wallach,H.、Larochelle,H.,Beygelzimer,A.、d'Alché-Buc,F.、Fox,E.、Garnett,R.(编辑)NeurIPS。第32卷。柯兰联合公司(2019)。https://proceedings.neurips.cc/paper/2019/file/246a3c5544feb054f3ea718f61adfa16-paper.pdf
[63] Shmarov,F.,Zuliani,P.:ProbReach:随机混合系统的保证可达性分析工具。收录:Bogomolov,S.,Tiwari,A.(编辑)SNR-CAV,第37卷,第40-48页(2015年)·Zbl 1366.68183号
[64] Shmarov,F.,Zuliani,P.:ProbReach:随机混合系统的验证概率增量可达性。载于:HSCC,第134-139页。ACM(2015)·Zbl 1366.68183号
[65] Singh,G.等人:神经网络Eth鲁棒性分析仪(ERAN)(2020年)。https://github.com/eth-sri/eran
[66] Slaughter,W.,《弹性线性化理论》(2002),波士顿:斯普林格出版社,波士顿·Zbl 0999.74002号 ·doi:10.1007/978-1-4612-0093-2
[67] Tjandraatmadja,C.,Anderson,R.,Huchette,J.,Ma,W.,Patel,K.K.,Vielma,J.P.:凸弛豫屏障,重访:神经网络验证的紧致单神经元弛豫。收录人:Larochelle,H.,Ranzato,M.,Hadsell,R.,Balcan,M.F.,Lin,H.(编辑)NeurIPS。第33卷,第21675-21686页。Curran Associates,Inc.(2020年)。https://proceedings.neurips.cc/paper/2020/file/f6c2a0c4b566bc99d596e58638e342b0-paper.pdf
[68] 维诺德,AP;Oishi,MM,靶管的随机可达性,Automatica,125(2021)·Zbl 1461.93554号 ·doi:10.1016/j.automatica.2020.109458
[69] Vorbach,C.、Hasani,R.、Amini,A.、Lechner,M.、Rus,D.:连续时间神经网络的因果导航。arXiv预打印arXiv:2106.08314(2021)
[70] 王,Q。;Zuliani,P。;孔,S。;高,S。;EM克拉克;O.罗克斯。;Bourdon,J.,SReach:随机混合系统的概率有界delta可达性分析器,系统生物学计算方法,15-27(2015),Cham:Spriger,Cham·doi:10.1007/978-3-319-23401-43
[71] Zhang,H.,Weng,T.W.,Chen,P.Y.,Hsieh,C.J.,Daniel,L.:具有通用激活函数的高效神经网络鲁棒性证明。收录人:Bengio,S.、Wallach,H.、Larochelle,H.,Grauman,K.、Cesa-Bianchi,N.、Garnett,R.(编辑)NeurIPS。第31卷。Curran Associates,Inc.(2018年)。https://proceedings.neurips.cc/paper/2018/file/do4863f100d59b3eb688a11f95b0ae60-paper.pdf
[72] Zhigljavsky,A。;Zilinskas,A.,《随机全局优化》(2008),纽约:Springer,纽约·Zbl 1136.90003号 ·doi:10.1007/978-0-387-74740-8
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。