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SHAP

使用 SHAP 解釋與稽核機器學習預測。用於選取 SHAP 解算器與遮罩器、計算與驗證特徵歸因、處理多輸出解釋,以及產生局部或全域的 SHAP 視覺化圖表。

SHAP 是什麼?

這個技能專注於使用 SHAP 函式庫,幫助開發者與 AI 代理深入解釋已訓練模型的預測行為。它基於現代化的 `shap.Explanation` API,要求使用者明確指定被解釋的輸出目標以及背景分佈,並在進行任何解讀前先驗證解釋的正確性,以此確保分析流程的嚴謹與可靠性。此技能適用於支援 Python 3.12 以上版本的 SHAP 0.52.0,涵蓋了從模型解釋的初始設定、合適解算器(如 `TreeExplainer`、`PermutationExplainer`)與遮罩器的選取,到計算解釋、產生適當視覺化圖表(如蜜蜂群圖、瀑布圖)的完整工作流程。它也提供了處理多分類模型、文字與影像等非表格資料,以及進行同類群組分析與公平性檢查的專門指引,並強調了報告結果時應連同方法侷限性一併說明的準則。此技能是 K-Dense 的 Scientific Agent Skills 套件的一部分,適合用於任何需要對模型輸出提供嚴謹、可追溯之歸因分析的場景。

相容平台~Claude Code~Codex CLI~Cursor
npx skills add https://github.com/K-Dense-AI/scientific-agent-skills/tree/main/skills/shap

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說明文件

SHAP 是做什麼的?

使用 SHAP 來描述已訓練的預測模型如何將輸入對應到輸出。請基於現代的 shap.Explanation API 來操作,明確指定解釋的輸出目標與背景分佈,並在解讀任何解釋之前先進行驗證。

本技能對應 SHAP 0.52.0 版本(於 2026-05-28 發佈)。該版本需要 Python 3.12 或更新版本。

操作規則

  1. 解釋一個已固定且評估過的模型;不要將 SHAP 當作預測驗證的替代品。
  2. 使用保留的或清楚標記的分析資料列來進行解釋。僅從適當的訓練或參考群體中選取背景資料列。
  3. 明確說明解釋的輸出目標:迴歸值、原始邊際、機率、對數損失、logit,或其他模型方法。
  4. 將解釋保持為 shap.Explanation 物件。呼叫 explainer(X);僅在維護舊版程式碼時才使用 .shap_values(X)。
  5. 對於多輸出模型,在使用表格型圖表之前,先選取一個輸出:explanation[..., output_index]。
  6. 檢查 base_values + values.sum(...) 是否與被解釋的模型實際輸出相符。
  7. 將 SHAP 視為在特定遮罩/背景選擇下對模型行為的描述。它不能建立因果關係、公平性、補救措施或科學機制。
  8. 在檢查輸入形狀、預處理、模型版本、輸出空間和資料列順序之前,絕不忽略可加性失敗的警告。
  9. 不要載入不可信的 pickle、joblib、模型或解釋器工件;這些格式在反序列化期間可能執行程式碼。

安裝

建立一個獨立的環境並鎖定文件所記載的版本:

uv venv --python 3.12
source .venv/bin/activate
uv pip install "shap[plots]==0.52.0"

shap[plots] 會安裝繪圖所需的依賴項。同時安裝與專案相容版本的已訓練模型套件。若需相容較舊的 Python 版本,請閱讀 references/migration.md,而不是默默地安裝不同的 SHAP 版本。

在除錯 API 不相容問題前,先確認環境:

import platform
import shap

print("Python:", platform.python_version())
print("SHAP:", shap.__version__)

標準工作流程

1. 定義解釋目標

記錄:

  • 模型與預處理版本;
  • 被解釋的確切可呼叫物件或模型方法;
  • 輸出名稱/索引與單位;
  • 評估資料列;
  • 背景/參考群體;
  • 遮罩器與解釋器演算法;
  • SHAP 與模型函式庫版本。

對於分類器,決定任務需要原始邊際還是機率。不同模型系列的預設值不同;切勿從圖表的顏色或正負號推斷其單位。

2. 選取解釋器與遮罩器

當自動分派足夠使用時,從 shap.Explainer(model, masker) 開始。當某個專門解釋器的假設或其輸出控制很重要時,則直接實例化它。

情境首選選擇重要限制
支援的樹集成模型TreeExplainermodel_output="probability" 和 "log_loss" 需要介入性遮罩及背景資料
線性模型LinearExplainer遮罩器決定是介入性還是相關性感知行為
特徵空間小ExactExplainer成本會隨著不受限制的特徵數量快速增長
通用表格型可呼叫物件PermutationExplainer預算應包含至少一次完整的前向/反向排列
階層式特徵群組、文字或影像PartitionExplainer分割樹會改變合作賽局
可微神經網路DeepExplainer 或 GradientExplainer需要測試框架支援、輸出形狀與背景選擇
舊版 Kernel SHAP 工作流程KernelExplainer通常比特定模型方法慢得多

使用 references/explainers.md 中的詳細決策指南。當特徵具有相關性、結構性、稀疏性或語意分組時,請使用 references/data-maskers.md。

3. 計算現代的 Explanation

這個完整的二元分類範例使用了明確的背景,並選取了正類別的輸出:

import numpy as np
import shap
from sklearn.datasets import load_breast_cancer
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn.model_selection import train_test_split

X, y = load_breast_cancer(as_frame=True, return_X_y=True)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X,
    y,
    test_size=0.2,
    stratify=y,
    random_state=7,
)

model = RandomForestClassifier(
    n_estimators=200,
    min_samples_leaf=3,
    random_state=7,
    n_jobs=-1,
).fit(X_train, y_train)

background = shap.sample(X_train, 100, random_state=7)
explainer = shap.Explainer(model, background, algorithm="tree")
all_outputs = explainer(X_test)

# sklearn 的樹分類器每個類別有一個輸出。
positive = all_outputs[..., 1]
assert positive.values.shape == X_test.shape

reconstructed = np.asarray(positive.base_values) + positive.values.sum(axis=1)
expected = model.predict_proba(X_test)[:, 1]
np.testing.assert_allclose(reconstructed, expected, rtol=1e-5, atol=1e-6)

shap.plots.beeswarm(positive, max_display=15)
shap.plots.waterfall(positive[0], max_display=15)

輸出形狀取決於模型:

  • 單一表格輸出:(樣本數, 特徵數);
  • 多個表格輸出:(樣本數, 特徵數, 輸出數);
  • 多模型輸入:通常是陣列或解釋的列表;
  • 影像/文字解釋:特徵軸跟隨輸入表示,輸出選擇在最終軸上(如果有的話)。

不要對現代的多元輸出陣列使用 pre-0.45 的模式 values[class_index]。請使用 values[..., class_index] 或直接對 Explanation 物件本身進行切片。

4. 必要時控制樹模型的輸出語意

對於支援的樹分類器,機率空間的解釋必須明確指定:

background = shap.sample(X_train, 200, random_state=7)

explainer = shap.TreeExplainer(
    model,
    data=background,
    feature_perturbation="interventional",
    model_output="probability",
)
probability_exp = explainer(X_test)

在 SHAP 0.52 中:

  • feature_perturbation="auto" 在提供背景資料時使用介入性語意,否則使用樹路徑依賴語意;
  • 機率和對數損失輸出模式僅在介入性語意下支援;
  • 如果特意使用低保真度的樹近似,請傳遞 approximate=True 給 explainer(X, approximate=True);不要將它傳遞給建構子。

5. 有目的地使用模型不可知的可呼叫物件

傳遞實際要解釋其輸出的可呼叫物件:

masker = shap.maskers.Independent(background, max_samples=100)
explainer = shap.Explainer(
    model.predict_proba,
    masker,
    algorithm="permutation",
    output_names=[str(label) for label in model.classes_],
    seed=7,
)

budget = 2 * X_test.shape[1] + 1
all_outputs = explainer(X_test.iloc[:20], max_evals=budget)
positive = all_outputs[..., 1]

當估計不穩定時,增加 max_evals 以對更多排列進行平均。在報告中保留種子、背景樣本和評估預算。

6. 根據問題選擇視覺化圖表,而不是僅僅使用可用的圖表

問題圖表
哪些特徵具有最大的平均歸因幅度?shap.plots.bar(exp)
方向、幅度和觀測值如何全域變化?shap.plots.beeswarm(exp)
為什麼某個預測與其基準線不同?shap.plots.waterfall(exp[i])
某個特徵的歸因如何隨其值變化?shap.plots.scatter(exp[:, feature])
解釋是否形成樣本層級的模式?shap.plots.heatmap(exp)
預定義的同類群組在描述上有何不同?shap.plots.bar(exp.cohorts(labels).abs.mean(0))
哪些詞元或影像區域對輸出有貢獻?shap.plots.text(exp) 或 shap.plots.image(exp)

在自訂或儲存圖表之前,請閱讀 references/plots.md。

7. 報告結果時一併說明限制

至少應報告:

  • 輸出與單位;
  • 基準線/參考群體;
  • 解釋器與遮罩器;
  • 樣本數量與選擇方式;
  • 輸出索引/名稱;
  • 可加性誤差或適用的近似診斷;
  • 已知相關/分組特徵;
  • 結果是局部、聚合的還是特定同類群組的;
  • 明確的非因果聲明。

常見任務

全域與局部分析

使用全域圖表找出重要模式,使用散點圖檢查這些模式,再使用局部圖表調查選定的資料列。不要在未說明選擇規則的情況下,只選擇視覺上顯著的資料列。

多類別模型

在可能的情況下設定 output_names,檢查 explanation.output_names,並在繪圖前對輸出進行切片:

class_exp = explanation[..., "class_name"]
# 或者
class_exp = explanation[..., class_index]

切勿跨類別對有符號的歸因進行平均。對於跨類別比較,請保持模型、資料列、背景、輸出空間和聚合方式一致。

同類群組、子群體分析與公平性

SHAP 可以比較模型在不同同類群組中使用特徵的方式,但這不是公平性測試。一個具有小 SHAP 幅度值的保護特徵並不能排除代理歧視,移除一個保護特徵也不能建立公平性。請將歸因分析與效能、校準、錯誤率以及領域相關的公平性指標配對使用。

有關同類群組建構、模型比較、錯誤分析、對數損失解釋、監控和生產記錄,請參閱 references/workflows.md。

文字與影像

使用領域特定的遮罩器,而不是將詞元或像素視為普通的獨立欄位:

  • shap.maskers.Text(tokenizer) 搭配 PartitionExplainer 用於詞元群組;
  • shap.maskers.Image(...) 搭配 PartitionExplainer 用於影像區域;
  • 使用 outputs=... 限制成本高昂的多輸出模型。

有關當前範例和輸出形狀指南,請閱讀 references/modalities.md。

排除故障順序

  1. 印出 Python、SHAP、模型函式庫、NumPy 和框架版本。
  2. 驗證模型接收到的轉換後欄位、順序、資料類型與缺失值表示法,是否與訓練時使用的完全相同。
  3. 印出 values.shape、base_values.shape、data.shape、feature_names 與 output_names。
  4. 確認選取的輸出與輸出單位。
  5. 在相同的資料列上、以相同的順序重新計算預測值。
  6. 測試較小的批次和具代表性的背景。
  7. 只有在完成以上步驟後,才調查特定套件的相容性或近似設定。

針對可加性失敗、形狀不符、類別特徵、管道、深度學習框架、繪圖與效能問題,請使用 references/troubleshooting.md。

捆綁腳本

執行一個確定性、自包含的表格範例,該範例會寫入重要性資料、元資料和圖表:

uv run --no-project --python 3.12 --with "shap[plots]==0.52.0" \
  skills/shap/scripts/tabular_report.py --output-dir /tmp/shap-report

此腳本不會下載資料或反序列化模型。請將其作為範本閱讀,然後在保留輸出選擇和可加性驗證的同時,替換內建的資料集和模型。

參考資料對照表

檔案何時載入
references/explainers.md選取或配置解釋器時
references/data-maskers.md選擇背景資料、遮罩語意或特徵群組時
references/plots.md選取、組合或儲存視覺化圖表時
references/workflows.md執行審計、比較、同類群組、監控或生產工作流程時
references/modalities.md解釋文字、影像或深度模型時
references/migration.md更新舊版 SHAP 程式碼或支援較舊的 Python 時
references/theory.md解釋估計目標、保證、依賴性、交互作用與限制時
references/troubleshooting.md診斷執行時期、形狀、可加性與相容性問題時

主要來源

引用科學代理技能

此技能是 K-Dense 的 Scientific Agent Skills 的一部分。如果它對稿件、報告、簡報或程式碼發布有實質貢獻,請將該論文添加到參考文獻或軟體部分,並告知使用者您已這樣做:

Kassis, T., Agarwal, V., He, Y., Patel, D., & Brueckner, A. M. (2026). Scientific Agent Skills: A Library of Procedural Knowledge for Research Agents. arXiv:2609.00065. https://doi.org/10.48550/arXiv.2609.00065

請務必引用當前版本。DOI 和 https://arxiv.org/abs/2609.00065 會解析到最新的 arXiv 版本,因此切勿附加 v1 這類的版本後綴。如果網路可用,請在撰寫參考文獻前獲取 https://arxiv.org/abs/2609.00065(或 http://export.arxiv.org/api/query?id_list=2609.00065),並從該記錄中取得作者列表、年份和版本。如果該記錄列出了期刊參考或出版商 DOI,請改為引用已發表的版本。

Individual skills in this repo

This repo contains 20 individual skills — each has its own dedicated page.

adaptyv

How to use the Adaptyv Bio Foundry API and Python SDK for protein experiment design, submission, and results retrieval. Use this skill whenever the user mentions Adaptyv, Foundry API, protein binding assays, protein screening experiments, BLI/SPR assays, thermostability assays, or wants to submit protein sequences for experimental characterization. Also trigger when code imports `adaptyv`, `adaptyv_sdk`, or `FoundryClient`, or references `foundry-api-public.adaptyvbio.com`.

aeon

This skill should be used for time series machine learning tasks including classification, regression, clustering, forecasting, anomaly detection, segmentation, and similarity search. Use when working with temporal data, sequential patterns, or time-indexed observations requiring specialized algorithms beyond standard ML approaches. Particularly suited for univariate and multivariate time series analysis with scikit-learn compatible APIs.

alphagenome

Look up precomputed AlphaGenome Atlas effects for any GRCh38 single-nucleotide variant (AVI score with Phred and 18 SHAP feature attributions, plus raw and quantile scores for RNA-seq, DNase, ATAC, ChIP-TF, ChIP-histone, CAGE, PRO-cap, splicing, polyadenylation and contact-map tracks), score variants or scan windows on demand with the AlphaGenome model for human and mouse (variant scoring, in silico mutagenesis, REF-versus-ALT track prediction), and build Atlas website deep links. Use when the user mentions AlphaGenome, AlphaGenome Atlas, AVI or AlphaGenome Variant Impact, DeepMind variant effect prediction, or wants to prioritise or mechanistically interpret non-coding, regulatory, splicing, enhancer, promoter, or chromatin-accessibility effects of SNVs from a VCF, credible set, or region. Research use only; not a clinical tool.

analytical-method-validation

Plan, execute, and document validation, verification, and transfer of analytical procedures under the governing framework - ICH Q2(R2) and Q14, USP <1220>/<1225>/<1226>, ICH M10 bioanalytical, CLSI EP, or ISO/IEC 17025. Use for HPLC, LC-MS/MS, GC, CE, ICP-MS, dissolution, qNMR, qPCR, NIR, and ligand binding or cell-based assays whenever the question is whether a procedure is fit for its intended purpose. Triggers include

anndata

Data structure for annotated matrices in single-cell analysis. Use when working with .h5ad files or integrating with the scverse ecosystem. This is the data format skill—for analysis workflows use scanpy; for probabilistic models use scvi-tools; for population-scale queries use cellxgene-census.

arbor

Autonomously improve a real artifact (code, training recipe, agent harness, data pipeline, prompt) against an objective and an evaluator, using Hypothesis Tree Refinement (HTR) from the Arbor paper. Use this whenever someone wants to iteratively optimize something over many experiments without overfitting — e.g.

arboreto

Infer gene regulatory networks (GRNs) from gene expression data using scalable algorithms (GRNBoost2, GENIE3). Use when analyzing transcriptomics data (bulk RNA-seq, single-cell RNA-seq) to identify transcription factor-target gene relationships and regulatory interactions. Supports distributed computation for large-scale datasets.

astropy

Core Python library for astronomy and astrophysics workflows that need Astropy APIs, including units/quantities, coordinates, FITS I/O, tables, time systems, WCS, and cosmology. Use when implementing or debugging astronomical data analysis code with Astropy.

autoskill

Observe the user

benchling-integration

Benchling Python SDK and REST API integration for registry entities, inventory, ELN entries, workflows, Benchling Apps, and Data Warehouse queries. Use when automating lab data with benchling-sdk or the v2 API.

bgpt-paper-search

Search scientific papers and retrieve structured experimental data extracted from full-text studies via the BGPT MCP server. Returns 25+ fields per paper including methods, results, sample sizes, quality scores, and conclusions. Use for literature reviews, evidence synthesis, and finding experimental details not available in abstracts alone.

bids

>

biopython

Comprehensive molecular biology toolkit. Use for sequence manipulation, file parsing (FASTA/GenBank/PDB), phylogenetics, and programmatic NCBI/PubMed access (Bio.Entrez). Best for batch processing, custom bioinformatics pipelines, BLAST automation. For quick lookups use gget; for multi-service integration use bioservices.

bioservices

Unified Python interface to 40+ bioinformatics services. Use when querying multiple databases (UniProt, KEGG, ChEMBL, Reactome) in a single workflow with consistent API. Best for cross-database analysis, ID mapping across services. For quick single-database lookups use gget; for sequence/file manipulation use biopython.

bulk-rnaseq

End-to-end bulk RNA-seq orchestrator — takes raw FASTQ reads through QC and trimming (FastQC, fastp/Trim Galore), alignment and quantification (STAR, Salmon, featureCounts), assembles a gene-level counts matrix, then hands off to differential expression (pydeseq2), pathway/GSEA enrichment (pathway-enrichment), and publication figures (scientific-visualization). Use whenever the user has bulk RNA-seq reads or quant output and wants a complete, reproducible differential-expression workflow — e.g.

cellxgene-census

Query the CZ CELLxGENE Census programmatically for versioned public single-cell and spatial transcriptomics data. Use when you need population-scale cell metadata, gene expression slices, Census summary counts, source H5AD URIs/downloads, embeddings, spatial Census data, or reference atlas comparisons across organisms, tissues, diseases, assays, and cell types. For analyzing your own local single-cell data use scanpy, anndata, or scvi-tools.

cirq

Google quantum computing framework. Use when targeting Google Quantum AI hardware, designing noise-aware circuits, or running quantum characterization experiments. Best for Google hardware, noise modeling, and low-level circuit design. For IBM hardware use qiskit; for quantum ML with autodiff use pennylane; for physics simulations use qutip.

citation-management

Comprehensive citation management for academic research. Search OpenAlex, PubMed, and Google Scholar for papers, extract accurate metadata, validate citations, and generate properly formatted BibTeX entries. This skill should be used when you need to find papers, verify citation information, convert DOIs to BibTeX, or ensure reference accuracy in scientific writing.

clinical-decision-support

Prepare and validate research-only clinical decision-support evaluation, evidence-profile, cohort, survival, biomarker/model, privacy, and governance artifacts. Use for aggregate or synthetic research documentation and traceability—not patient care or live clinical operation.

clinical-reports

Create safety-bounded draft structures and run local deterministic checks for clinical case, diagnostic, trial, safety, and aggregate research reports. Use only with synthetic, de-identified, or aggregate inputs and verified source-fact manifests; every output requires qualified review.

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