Vì sao các giải thích SHAP thay đổi giữa mẫu, seed và họ mô hình
Tóm tắt
Sổ ghi chép này xem xét liệu các quy kết đặc trưng SHAP có đủ ổn định để hỗ trợ việc rút gọn mô hình, quyết định rủi ro hay báo cáo hay không. Với bài toán dự đoán ETF, trước tiên tài liệu tìm các mẫu kiểm tra có dự báo gần nhau nhưng hồ sơ SHAP khác nhau. Sau đó, tài liệu so sánh hồ sơ quy kết từ các mô hình LightGBM được huấn luyện với seed ngẫu nhiên khác nhau và từ một mô hình Random Forest, đồng thời so sánh hệ số thông tin chéo của chúng trên tập xác thực. Các minh họa cho thấy hai dạng đa dạng trong giải thích: một mô hình có thể tạo ra các mẫu đóng góp đặc trưng khác nhau cho đầu ra tương tự, và các mô hình có năng lực dự đoán tương đương có thể nhấn mạnh những đầu vào khác nhau.
Sổ ghi chép cho rằng một phép quy kết mô tả cách một mô hình đã khớp cụ thể phân bổ dự báo của nó giữa các đặc trưng; phép quy kết không xác lập chân lý nhân quả về thị trường. Trong phép so sánh được báo cáo, biến thiên do seed ngẫu nhiên có thể quan trọng ngang với việc đổi họ mô hình. Tài liệu khuyến nghị người thực hành kiểm tra tính ổn định của quy kết qua các seed và kiến trúc, đồng thời báo cáo độ bất định quanh mức độ quan trọng thay vì chỉ dựa vào một bảng xếp hạng. Bằng chứng là minh họa riêng cho một bộ dữ liệu, không phải bảo đảm chung rằng họ mô hình nào ổn định hơn; cách thiết lập huấn luyện và xác thực cũng hạn chế khả năng khái quát hóa các quan sát.
Ý chính
- Các dự báo mô hình tương tự có thể có hồ sơ đóng góp SHAP khác nhau đáng kể.
- Các seed và kiến trúc mô hình khác nhau có thể gán mức độ quan trọng cho các đặc trưng khác nhau dù hiệu quả dự đoán tương đương.
- Các giá trị SHAP mô tả hành vi quy kết của mô hình đã khớp và không chứng minh quan hệ nhân quả.
- Kiểm tra tính ổn định của quy kết qua các lần huấn luyện lại và đặc tả mô hình trước khi dùng mức độ quan trọng để ra quyết định.
- Coi phát hiện từ một thiết lập xác thực ETF là minh họa chứ không phải quy luật phổ quát.
Thẻ
Toàn văn
# 09_xai_limitations.py
```py
# ---
# jupyter:
# jupytext:
# cell_metadata_filter: tags,-all
# text_representation:
# extension: .py
# format_name: percent
# format_version: '1.3'
# jupytext_version: 1.19.3
# kernelspec:
# display_name: Python 3 (ipykernel)
# language: python
# name: python3
# ---
# %% [markdown]
# # XAI Limitations: Explanation Instability
#
# **Chapter 12, Section 12.5**: Model Explainability with SHAP
#
# ## Purpose
# This notebook demonstrates critical limitations of model explanations
# that practitioners must understand before relying on SHAP for
# downstream decisions (feature pruning, risk allocation, reporting).
#
# ## Learning Objectives
# - Identify explanation instability: similar predictions with different SHAP profiles
# - Demonstrate the Rashomon effect across model families (GBM vs Random Forest)
# - Understand when SHAP attributions reflect model-specific fitting, not data truth
#
# ## Cross-References
# - **Section 12.5**: Rashomon effect, explanation multiplicity
# - **Related**: `08_shap_analysis` (SHAP fundamentals), `11_conformal_gbm` (UQ)
# %% [markdown]
# ## 1. Setup
# %%
"""XAI Limitations - explanation instability across seeds and model families."""
import warnings
# lightgbm loads before anything that pulls in scikit-learn, ml4t.diagnostic included:
# the first OpenMP runtime loaded wins the process, and the wrong order segfaults on
# macOS ARM64.
import lightgbm as lgb
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import polars as pl
from ml4t.diagnostic.metrics import cross_sectional_ic_series
# LightGBM records synthetic feature names when fitted on an array with an eval_set,
# and sklearn then warns at every predict on an array that has none to compare. One
# message, not the category: the fit and the predictions are unaffected.
warnings.filterwarnings(
"ignore",
message="X does not have valid feature names",
category=UserWarning,
module="sklearn.utils.validation",
)
import shap
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor
from utils.modeling import load_modeling_dataset
from utils.reproducibility import set_global_seeds
from utils.style import COLOR_CYCLER, show_with_alt
# %% tags=["parameters"]
# Above the assignment: papermill drops a parameters line whose comment contains an `=`.
MAX_SYMBOLS = 0 # the full universe
SEED = 42
# %%
set_global_seeds(SEED)
# %% [markdown]
# ## 2. Load Data
# %%
mds = load_modeling_dataset("etfs", "fwd_ret_21d", max_symbols=MAX_SYMBOLS)
df = mds.dataset.to_pandas()
date_col = mds.date_col
FEATURE_COLS = mds.feature_names
# Use first walk-forward fold
split = mds.splits[0]
train_mask = (df[date_col] >= split["train_start"]) & (df[date_col] <= split["train_end"])
test_mask = (df[date_col] >= split["val_start"]) & (df[date_col] <= split["val_end"])
X_train = df.loc[train_mask, FEATURE_COLS].values
y_train = df.loc[train_mask, mds.label_col].values
X_test = df.loc[test_mask, FEATURE_COLS].values
y_test = df.loc[test_mask, mds.label_col].values
# Drop NaN labels
train_valid = np.isfinite(y_train)
test_valid = np.isfinite(y_test)
X_train, y_train = X_train[train_valid], y_train[train_valid]
X_test, y_test = X_test[test_valid], y_test[test_valid]
# Test dates and symbols for cross-sectional IC
test_entity_col = mds.entity_cols[0]
dates_test = df.loc[test_mask, date_col].values[test_valid]
symbols_test = df.loc[test_mask, test_entity_col].values[test_valid]
def cross_sectional_ic_mean(y_true, y_pred, dates, symbols):
pred_df = pl.DataFrame({"timestamp": dates, "symbol": symbols, "prediction": y_pred})
ret_df = pl.DataFrame({"timestamp": dates, "symbol": symbols, "forward_return": y_true})
ic_per_date = cross_sectional_ic_series(
pred_df,
ret_df,
pred_col="prediction",
ret_col="forward_return",
date_col="timestamp",
entity_col="symbol",
)
ic_clean = ic_per_date.drop_nulls("ic")
return float(ic_clean["ic"].mean()) if ic_clean.height else float("nan")
print(f"ETFs: {len(X_train):,} train / {len(X_test):,} test ({len(FEATURE_COLS)} features)")
# %% [markdown]
# ## 3. Demonstration 1: Similar Predictions, Different Explanations
#
# Two samples with nearly identical predictions can have entirely
# different SHAP profiles: the model arrived at the same answer
# through different reasoning paths.
# %%
model = lgb.LGBMRegressor(n_estimators=100, max_depth=4, random_state=SEED, verbose=-1)
model.fit(X_train, y_train)
explainer = shap.TreeExplainer(model)
shap_values = explainer.shap_values(X_test)
predictions = model.predict(X_test)
# %%
# Find pairs with similar predictions but different SHAP
n_samples = min(500, len(predictions))
prediction_diffs = np.abs(predictions[:n_samples, None] - predictions[None, :n_samples])
shap_diffs = np.sqrt(
((shap_values[:n_samples, None, :] - shap_values[None, :n_samples, :]) ** 2).sum(axis=2)
)
# Use generous thresholds: prediction diff in bottom 25%, SHAP diff in top 75%
pred_threshold = np.percentile(prediction_diffs[prediction_diffs > 0], 25)
shap_threshold = np.percentile(shap_diffs[shap_diffs > 0], 75)
mask = (prediction_diffs < pred_threshold) & (shap_diffs > shap_threshold) & (prediction_diffs > 0)
pairs = np.argwhere(mask)
# %%
print(f"Searched {n_samples} samples: {len(pairs)} instability pairs found")
print(f" Prediction threshold: {pred_threshold:.6f}")
print(f" SHAP distance threshold: {shap_threshold:.4f}")
if len(pairs) > 0:
i, j = pairs[0]
instability_df = pl.DataFrame(
{
"feature": FEATURE_COLS,
f"SHAP (sample {i})": shap_values[i].round(4),
f"SHAP (sample {j})": shap_values[j].round(4),
"abs_diff": np.abs(shap_values[i] - shap_values[j]).round(4),
}
).sort("abs_diff", descending=True)
print(f"\nExample: samples {i} and {j}")
print(f" Prediction diff: {abs(predictions[i] - predictions[j]):.6f}")
print(f" SHAP Euclidean distance: {shap_diffs[i, j]:.4f}")
else:
instability_df = pl.DataFrame(
schema={
"feature": str,
"SHAP (sample a)": float,
"SHAP (sample b)": float,
"abs_diff": float,
}
)
print("\nNo pairs met both thresholds; predictions and SHAP are tightly coupled")
print("in this dataset. This is informative: it means the model's explanation")
print("space is relatively stable for the ETF feature set.")
instability_df.head(10)
# %% [markdown]
# **Interpretation**: SHAP explanations are not unique. The same prediction
# can be reached through different feature contribution paths. When instability
# pairs are found, the top-three SHAP contributors can differ completely even
# when predictions agree to within fractions of a percent. For production
# deployment, report confidence intervals on feature importance rather than
# point estimates.
# %% [markdown]
# ## 4. Demonstration 2: Rashomon Effect Across Model Families
#
# Models with similar predictive performance can attribute predictions
# to different features. We compare three LightGBM seeds plus a
# Random Forest to demonstrate cross-architecture disagreement.
# %%
# Stochastic training, so different seeds give different models.
_lgb_kw = dict(
n_estimators=200,
max_depth=6,
learning_rate=0.05,
subsample=0.8,
colsample_bytree=0.8,
verbose=-1,
)
model_configs = [
("LightGBM (seed=42)", lgb.LGBMRegressor(**_lgb_kw, random_state=42)),
("LightGBM (seed=123)", lgb.LGBMRegressor(**_lgb_kw, random_state=123)),
("LightGBM (seed=456)", lgb.LGBMRegressor(**_lgb_kw, random_state=456)),
(
"RandomForest",
RandomForestRegressor(n_estimators=200, max_depth=6, random_state=SEED, n_jobs=-1),
),
]
# %%
model_results = []
importance_arrays = []
for name, m in model_configs:
m.fit(X_train, y_train)
pred = m.predict(X_test)
ic = cross_sectional_ic_mean(y_test, pred, dates_test, symbols_test)
exp = shap.TreeExplainer(m)
sv = exp.shap_values(X_test)
mean_abs = np.abs(sv).mean(axis=0)
model_results.append({"model": name, "ic": round(ic, 4)})
importance_arrays.append(mean_abs)
# %%
rashomon_df = pl.DataFrame(model_results)
rashomon_df
# %% [markdown]
# Read the table by the spread rather than by any single value. The three
# LightGBM seeds differ only in their random seed, and they span a wider range
# than separates any of them from the Random Forest, which lands inside that
# span. Changing the seed therefore moves validation IC by more than changing
# the model family does here. The Rashomon point holds in either direction:
# similar predictive performance, different feature attributions.
# %%
# Show top-5 features per model
for i, (name, _) in enumerate(model_configs):
order = np.argsort(importance_arrays[i])[::-1][:5]
top5 = [(FEATURE_COLS[idx], round(importance_arrays[i][idx], 4)) for idx in order]
print(f"{name}: {', '.join(f'{f} ({v})' for f, v in top5)}")
# %%
# Grouped bar chart comparing SHAP importance profiles
fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 5))
n_feat = min(10, len(FEATURE_COLS))
top_feats_idx = np.argsort(importance_arrays[0])[::-1][:n_feat]
feat_names = [FEATURE_COLS[idx] for idx in top_feats_idx]
x = np.arange(n_feat)
width = 0.2
colors = COLOR_CYCLER[:4] # four distinct categorical hues (blue, amber, copper, green)
for i, (name, _) in enumerate(model_configs):
vals = [importance_arrays[i][idx] for idx in top_feats_idx]
ax.bar(x + i * width, vals, width, label=name, color=colors[i])
ax.set_xticks(x + width * 1.5)
ax.set_xticklabels(feat_names, rotation=45, ha="right", fontsize=9)
ax.set_ylabel("Mean |SHAP|")
ax.set_title("Mean absolute SHAP by feature, across seeds and model families")
ax.legend(fontsize=8)
show_with_alt(
fig,
"Grouped bars of mean absolute SHAP value, one group per feature and one bar per "
"model, comparing three LightGBM seeds against a Random Forest.",
)
# %% [markdown]
# **Interpretation**: Features that rank highly across all four models
# (both GBM and Random Forest) are more likely to reflect genuine data
# structure. Features that only one family highlights may reflect
# architecture-specific fitting patterns. When SHAP attributions
# drive downstream decisions, validate across model specifications.
# %% [markdown]
# ## 5. Stakeholder Guidance
#
# | Audience | Recommended Explanation | Key Caveat |
# |----------|------------------------|------------|
# | Risk Manager | SHAP summary plot | Correlation $\neq$ causation |
# | Trader | Feature importance rank | May vary with retraining |
# | Regulator | Model documentation | Include confidence intervals |
# | Quant Researcher | Full SHAP + interactions | Check stability across seeds |
# %% [markdown]
# ## 6. Key Takeaways
#
# 1. **Explanation instability**: Samples with similar predictions can have
# different top SHAP contributors: the same output is reachable through
# different feature-contribution paths.
#
# 2. **Rashomon effect**: Models with different architectures or random seeds
# attribute predictions to different features, so SHAP explanations reflect
# model-specific fitting patterns, not ground truth about the data.
#
# 3. **Best practices**: Report confidence intervals on feature importance,
# check stability across random seeds and model architectures, and never
# claim SHAP proves causation.
#
# **Next**: See `08_shap_analysis` for SHAP fundamentals and drift detection,
# or Section 12.5 in the chapter text for the theoretical framework.
```Hiển thị toàn văn kèm ghi nguồn theo giấy phép của tài liệu gốc. Giấy phép: MIT
Bản tóm tắt này do tác nhân nghiên cứu của Stratmill biên soạn từ tài liệu gốc; đây không phải bản sao của tài liệu.