We present a machine learning approach to quantitative verification. We investigate the quantitative reachability analysis of probabilistic programs and stochastic systems, which is the problem of computing the probability of hitting in finite time a given target set of states. This general problem subsumes a wide variety of other quantitative verification problems, from the invariant and the safety analysis of discrete-time stochastic systems to the assertion-violation and the termination analysis of single-loop probabilistic programs. We exploit the expressive power of neural networks as novel templates for indicating supermartingale functions, which provide general certificates of reachability that are both tight and sound. Our method uses machine learning to train a neural certificate that minimises an upper bound for the probability of reachability over sampled observations of the state space. Then, it uses satisfiability modulo theories to verify that the obtained neural certificate is valid over every possible state of the program and conversely, upon receiving a counterexample, it refines neural training in a counterexample-guided inductive synthesis loop, until the solver confirms the certificate. We experimentally demonstrate on a diverse set of benchmark probabilistic programs and stochastic dynamical models that neural indicating supermartingales yield smaller or comparable probability bounds than existing state-of-the-art methods in all cases, and further that the approach succeeds on models that are entirely beyond the reach of such alternative techniques.


翻译:我们对定量核查采用机算学习方法。 我们调查对概率程序和随机系统进行量性可达性分析,这是计算在一定时间内击中特定目标一组国家的可能性的问题。 这个一般性问题包含许多其他定量核查问题,从离散时间随机系统的变化和安全分析到单圈概率程序断断层破坏和终止分析。 我们利用神经网络的表达力作为显示超边界功能的新模板,提供一般的可达性证书,这些功能提供紧和健全的一般可达性证书。 我们的方法利用机器学习来训练神经证书,该证书在抽样观察国家空间时将可达性的可能性最小化为上限。 然后,它利用可置信性理论来核实获得的神经证书对程序每一个可能的状态有效,反过来,我们利用神经网络的表达力作为显示超边界超边界的反向导合成功能的神经培训,直到解析器的解析和超边界模型完全证实现有稳定度模型的可达标度。

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