On Robustness of the Explanatory Power of Machine Learning Models: Insights From a New Explainable AI Approach Using Sensitivity Analysis
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Machine learning (ML) is increasingly considered the solution to environmental problems where limited or no physico‐chemical process understanding exists. But in supporting high‐stakes decisions, where the ability to explain possible solutions is key to their acceptability and legitimacy, ML can fall short. Here, we develop a method, rooted in formal sensitivity analysis , to uncover the primary drivers behind ML predictions. Unlike many methods for explainable artificial intelligence (XAI), this method (a) accounts for complex multi‐variate distributional properties of data, common in environmental systems, (b) offers a global assessment of the input‐output response surface formed by ML, rather than focusing solely on local regions around existing data points, and (c) is scalable and data‐size independent, ensuring computational efficiency with large data sets. We apply this method to a suite of ML models predicting various water quality variables in a pilot‐scale experimental pit lake. A critical finding is that subtle alterations in the design of some ML models (such as variations in random seed, functional class, hyperparameters, or data splitting) can lead to different interpretations of how outputs depend on inputs. Further, models from different ML families (decision trees, connectionists, or kernels) may focus on different aspects of the information provided by data, despite displaying similar predictive power. Overall, our results underscore the need to assess the explanatory robustness of ML models and advocate for using model ensembles to gain deeper insights into system drivers and improve prediction reliability.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,017 | 0,075 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,003 |
| Bibliométrie | 0,003 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,004 |
| Communication savante | 0,003 | 0,003 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,004 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,004 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».