Most work on the formal verification of neural networks has focused on bounding forward images of neural networks, i.e., the set of outputs of a neural network that correspond to a given set of inputs (for example, bounded perturbations of a nominal input). However, many use cases of neural network verification require solving the inverse problem, i.e, over-approximating the set of inputs that lead to certain outputs. In this work, we present the first efficient bound propagation algorithm, INVPROP, for verifying properties over the preimage of a linearly constrained output set of a neural network, which can be combined with branch-and-bound to achieve completeness. Our efficient algorithm allows multiple passes of intermediate bound refinements, which are crucial for tight inverse verification because the bounds of an intermediate layer depend on relaxations both before and after this layer. We demonstrate our algorithm on applications related to quantifying safe control regions for a dynamical system and detecting out-of-distribution inputs to a neural network. Our results show that in certain settings, we can find over-approximations that are over 2500 times tighter than prior work while being 2.5 times faster on the same hardware.


翻译:对神经网络进行正式核查的多数工作侧重于将神经网络的远方图像,即神经网络的一组产出,与特定一组投入(例如,名义投入的受约束扰动)相对应的神经网络的一组产出。然而,许多神经网络核查的运用案例要求解决反面问题,即过度使用导致某些产出的一组投入。在这项工作中,我们提出了第一个有效的有效约束传播算法,即INVPROP,用于核实神经网络线性限制产出组合的预感的特性,该神经网络可与分支和约束组合相结合,以实现完整性。我们的高效算法允许多个中间线性改进的通过,这对于进行严密的反向核查至关重要,因为中间层的界限取决于该层前后的放松程度。我们展示了我们有关应用应用的算法,即对动态系统的安全控制区域进行量化,并检测向神经网络的分布性投入。我们的结果显示,在某些环境中,我们可以发现过度的过度应用,在硬度上超过2.5倍的硬度,比先前的工作要快。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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