本文介绍了在结构因果模型（SCM）的一般空间上定义的一系列拓扑结构，介绍了因果推断的拓扑学习 - 理论观点。作为框架的说明，我们证明了拓扑因果层次结构定理，表明只有在微薄的SCM集中就可以实现了无实体的假设因果推断。由于弱拓扑结构和统计上可验证假设的开放集之间的已知对应关系，我们的结果表明，原则上的归纳假设足以许可有效的因果推论是统计上无可核实的。类似于无午餐定理的统计推断，目前的结果阐明了因果推断的实质性假设的必然性。我们拓扑方法的额外好处是它很容易容纳具有无限变量的SCM。我们终于建议该框架对探索和评估替代因果归纳的积极项目有所帮助。

也称为（非参数）结构方程模型（SEMS）的结构因果模型（SCM）被广泛用于因果建模目的。特别是，也称为递归SEM的无循环SCMS，形成了一个研究的SCM的良好的子类，概括了因果贝叶斯网络来允许潜在混淆。在本文中，我们调查了更多普通环境中的SCM，允许存在潜在混杂器和周期。我们展示在存在周期中，无循环SCM的许多方便的性质通常不会持有：它们并不总是有解决方案;它们并不总是诱导独特的观察，介入和反事实分布;边缘化并不总是存在，如果存在边缘模型并不总是尊重潜在的投影;他们并不总是满足马尔可夫财产;他们的图表并不总是与他们的因果语义一致。我们证明，对于SCM一般，这些属性中的每一个都在某些可加工条件下保持。我们的工作概括了SCM的结果，迄今为止仅针对某些特殊情况所知的周期。我们介绍了将循环循环设置扩展到循环设置的简单SCM的类，同时保留了许多方便的无环SCM的性能。用本文，我们的目标是为SCM提供统计因果建模的一般理论的基础。

大多数现代的潜在变量和概率生成模型，例如变异自动编码器（VAE），即使有无限的数据也无法解决，这些模型也无法解决。此类模型的最新应用表明需要强烈可识别的模型，其中观察结果与唯一的潜在代码相对应。在维持灵活性的同时，取得了进展，最著名的是IVAE（Arxiv：1907.04809 [stat.ml]），该模型排除了许多（但不是全部 - 不确定）。我们构建了一个完整的理论框架，用于分析潜在变量模型的不确定性，并根据生成器函数的属性和潜在变量先验分布精确表征它们。为了说明，我们应用框架以更好地了解最近的可识别性结果的结构。然后，我们研究如何指定强烈识别的潜在变量模型，并构建两个这样的模型。一种是对ivae的直接修饰。另一个想法从最佳运输和导致新颖的模型和连接到最近的工作。

最近的工作突出了因果关系在设计公平决策算法中的作用。但是，尚不清楚现有的公平因果概念如何相互关系，或者将这些定义作为设计原则的后果是什么。在这里，我们首先将算法公平性的流行因果定义组装成两个广泛的家庭：（1）那些限制决策对反事实差异的影响的家庭； （2）那些限制了法律保护特征（如种族和性别）对决策的影响。然后，我们在分析和经验上表明，两个定义的家庭\ emph {几乎总是总是} - 从一种理论意义上讲 - 导致帕累托占主导地位的决策政策，这意味着每个利益相关者都有一个偏爱的替代性，不受限制的政策从大型自然级别中绘制。例如，在大学录取决定的情况下，每位利益相关者都不支持任何对学术准备和多样性的中立或积极偏好的利益相关者，将不利于因果公平定义的政策。的确，在因果公平的明显定义下，我们证明了由此产生的政策要求承认所有具有相同概率的学生，无论学术资格或小组成员身份如何。我们的结果突出了正式的局限性和因果公平的常见数学观念的潜在不利后果。

我们基于从多个数据集的合并信息介绍了一种反事实推断的方法。我们考虑了统计边际问题的因果重新重新制定：鉴于边际结构因果模型（SCM）的集合在不同但重叠的变量集上，请确定与边际相反一致的关节SCMS集。我们使用响应函数配方对分类SCM进行了形式化这种方法，并表明它降低了允许的边际和关节SCM的空间。因此，我们的工作通过其他变量突出了一种通过其他变量的新模式，与统计数据相反。

This review presents empirical researchers with recent advances in causal inference, and stresses the paradigmatic shifts that must be undertaken in moving from traditional statistical analysis to causal analysis of multivariate data. Special emphasis is placed on the assumptions that underly all causal inferences, the languages used in formulating those assumptions, the conditional nature of all causal and counterfactual claims, and the methods that have been developed for the assessment of such claims. These advances are illustrated using a general theory of causation based on the Structural Causal Model (SCM) described in Pearl (2000a), which subsumes and unifies other approaches to causation, and provides a coherent mathematical foundation for the analysis of causes and counterfactuals. In particular, the paper surveys the development of mathematical tools for inferring (from a combination of data and assumptions) answers to three types of causal queries: (1) queries about the effects of potential interventions, (also called "causal effects" or "policy evaluation") (2) queries about probabilities of counterfactuals, (including assessment of "regret," "attribution" or "causes of effects") and (3) queries about direct and indirect effects (also known as "mediation"). Finally, the paper defines the formal and conceptual relationships between the structural and potential-outcome frameworks and presents tools for a symbiotic analysis that uses the strong features of both.

基于AI和机器学习的决策系统已在各种现实世界中都使用，包括医疗保健，执法，教育和金融。不再是牵强的，即设想一个未来，自治系统将推动整个业务决策，并且更广泛地支持大规模决策基础设施以解决社会最具挑战性的问题。当人类做出决定时，不公平和歧视的问题普遍存在，并且当使用几乎没有透明度，问责制和公平性的机器做出决定时（或可能会放大）。在本文中，我们介绍了\ textit {Causal公平分析}的框架，目的是填补此差距，即理解，建模，并可能解决决策设置中的公平性问题。我们方法的主要见解是将观察到数据中存在的差异的量化与基本且通常是未观察到的因果机制收集的因果机制的收集，这些机制首先会产生差异，挑战我们称之为因果公平的基本问题分析（FPCFA）。为了解决FPCFA，我们研究了分解差异和公平性的经验度量的问题，将这种变化归因于结构机制和人群的不同单位。我们的努力最终达到了公平地图，这是组织和解释文献中不同标准之间关系的首次系统尝试。最后，我们研究了进行因果公平分析并提出一本公平食谱的最低因果假设，该假设使数据科学家能够评估不同影响和不同治疗的存在。

我们提出了普遍因果关系，这是一个基于类别理论的总体框架，该框架定义了基于因果推理的普遍特性，该属性独立于所使用的基本代表性形式主义。更正式的是，普遍的因果模型被定义为由对象和形态组成的类别，它们代表因果影响，以及进行干预措施（实验）和评估其结果（观察）的结构。函子在类别之间的映射和自然变换映射在相同两个类别的一对函子之间。我们框架中的抽象因果图是使用类别理论的通用构造构建的，包括抽象因果图的限制或共限制，或更普遍的KAN扩展。我们提出了普遍因果推断的两个基本结果。第一个结果称为普遍因果定理（UCT），与图的通用性有关，这些结果被视为函数映射对象和关系从抽象因果图的索引类别到一个实际因果模型，其节点由随机变量标记为实际因果模型和边缘代表功能或概率关系。 UCT指出，任何因果推论都可以以规范的方式表示为代表对象的抽象因果图的共同限制。 UCT取决于滑轮理论的基本结果。第二个结果是因果繁殖特性（CRP），指出对象x对另一个对象y的任何因果影响都可以表示为两个抽象因果图之间的自然转化。 CRP来自Yoneda引理，这是类别理论中最深层的结果之一。 CRP属性类似于复制元素希尔伯特空间中的繁殖属性，该元素是机器学习中内核方法的基础。

We propose a layered hierarchical architecture called UCLA (Universal Causality Layered Architecture), which combines multiple levels of categorical abstraction for causal inference. At the top-most level, causal interventions are modeled combinatorially using a simplicial category of ordinal numbers. At the second layer, causal models are defined by a graph-type category. The non-random ``surgical" operations on causal structures, such as edge deletion, are captured using degeneracy and face operators from the simplicial layer above. The third categorical abstraction layer corresponds to the data layer in causal inference. The fourth homotopy layer comprises of additional structure imposed on the instance layer above, such as a topological space, which enables evaluating causal models on datasets. Functors map between every pair of layers in UCLA. Each functor between layers is characterized by a universal arrow, which defines an isomorphism between every pair of categorical layers. These universal arrows define universal elements and representations through the Yoneda Lemma, and in turn lead to a new category of elements based on a construction introduced by Grothendieck. Causal inference between each pair of layers is defined as a lifting problem, a commutative diagram whose objects are categories, and whose morphisms are functors that are characterized as different types of fibrations. We illustrate the UCLA architecture using a range of examples, including integer-valued multisets that represent a non-graphical framework for conditional independence, and causal models based on graphs and string diagrams using symmetric monoidal categories. We define causal effect in terms of the homotopy colimit of the nerve of the category of elements.

广义结构方程模型（GSEM）[Peters和Halpern 2021]，作为名称表明，结构方程模型（SEM）的概括。他们可以在不同的许多变量中处理（以及其他物种，这对于捕获动态系统至关重要。我们在GSEM中提供了一种声音和完整的Aximatizing，即哈珀[2000]为SEM提供的声音和完整的公理化的延伸。考虑到GSEM有助于澄清Halpern的公理捕获的属性。

D分隔标准通过某些条件独立性检测到关节概率分布与定向无环图的兼容性。在这项工作中，我们通过引入因果模型的分类定义，D分隔的分类概念，并证明了D-Exaration Criterion的抽象版本，从而在分类概率理论的背景下研究了这个问题。这种方法有两个主要好处。首先，分类D分隔是基于拓扑连接的非常直观的标准。其次，我们的结果适用于度量理论概率（具有标准的鲍尔空间），因此提供了与局部和全球马尔可夫属性等效性具有因果关系兼容性的简洁证明。

我们考虑代表代理模型的问题，该模型使用我们称之为CSTREES的阶段树模型的适当子类对离散数据编码离散数据的原因模型。我们表明，可以通过集合表达CSTREE编码的上下文专用信息。由于并非所有阶段树模型都承认此属性，CSTREES是一个子类，可提供特定于上下文的因果信息的透明，直观和紧凑的表示。我们证明了CSTREEES承认全球性马尔可夫属性，它产生了模型等价的图形标准，概括了Verma和珍珠的DAG模型。这些结果延伸到一般介入模型设置，使CSTREES第一族的上下文专用模型允许介入模型等价的特征。我们还为CSTREE的最大似然估计器提供了一种封闭式公式，并使用它来表示贝叶斯信息标准是该模型类的本地一致的分数函数。在模拟和实际数据上分析了CSTHEELE的性能，在那里我们看到与CSTREELE而不是一般上演树的建模不会导致预测精度的显着损失，同时提供了特定于上下文的因果信息的DAG表示。

每个已知的人工深神经网络（DNN）都对应于规范Grothendieck的拓扑中的一个物体。它的学习动态对应于此拓扑中的形态流动。层中的不变结构（例如CNNS或LSTMS）对应于Giraud的堆栈。这种不变性应该是对概括属性的原因，即从约束下的学习数据中推断出来。纤维代表语义前类别（Culioli，Thom），在该类别上定义了人工语言，内部逻辑，直觉主义者，古典或线性（Girard）。网络的语义功能是其能够用这种语言表达理论的能力，以回答输出数据中有关输出的问题。语义信息的数量和空间是通过类比与2015年香农和D.Bennequin的Shannon熵的同源解释来定义的。他们概括了Carnap和Bar-Hillel（1952）发现的措施。令人惊讶的是，上述语义结构通过封闭模型类别的几何纤维对象进行了分类，然后它们产生了DNNS及其语义功能的同位不变。故意类型的理论（Martin-Loef）组织了这些物体和它们之间的纤维。 Grothendieck的导数分析了信息内容和交流。

Learning causal structure from observational data often assumes that we observe independent and identically distributed (i.\,i.\,d) data. The traditional approach aims to find a graphical representation that encodes the same set of conditional independence relationships as those present in the observed distribution. It is known that under i.\,i.\,d assumption, even with infinite data, there is a limit to how fine-grained a causal structure we can identify. To overcome this limitation, recent work has explored using data originating from different, related environments to learn richer causal structure. These approaches implicitly rely on the independent causal mechanisms (ICM) principle, which postulates that the mechanism giving rise to an effect given its causes and the mechanism which generates the causes do not inform or influence each other. Thus, components of the causal model can independently change from environment to environment. Despite its wide application in machine learning and causal inference, there is a lack of statistical formalization of the ICM principle and how it enables identification of richer causal structures from grouped data. Here we present new causal de Finetti theorems which offer a first statistical formalization of ICM principle and show how causal structure identification is possible from exchangeable data. Our work provides theoretical justification for a broad range of techniques leveraging multi-environment data to learn causal structure.

本文迈出了从实验中学习的逻辑的第一步。为此，我们调查了建模因果和（定性）认知推理的相互作用的正式框架。对于我们的方法至关重要是一种干预概念的想法，可以用作（真实或假设的）实验的正式表达。在第一步中，我们将众所周知的因果模型与代理人的认知状态的简单HITIKKA样式表示。在生成的设置中，不仅可以对关于变量值的知识以及干预措施如何影响它们，而且可以对其进行交谈，而且还可以谈论知识更新。由此产生的逻辑可以模拟关于思想实验的推理。但是，它无法解释从实验中学习，这显然是由它验证干预措施没有学习原则的事实。因此，在第二步中，我们实现更复杂的知识概念，该知识概念允许代理在进行实验时观察（测量）某些变量。该扩展系统确实允许从实验中学习。对于所有提出的逻辑系统，我们提供了一种声音和完整的公理化。

动态系统广泛用于科学和工程，以模拟由多个交互组件组成的系统。通常，它们可以在意义上给出因果解释，因为它们不仅模拟了系统组件状态随时间的演变，而且描述了他们的进化如何受到动态的系统的外部干预的影响。我们介绍了结构动态因果模型（SDCMS）的正式框架，其将系统组件的因果语言作为模型的一部分来阐述。 SDCMS表示动态系统作为随机过程的集合，并指定了管理每个组件的动态的基本因果机制，作为任意顺序的随机微分方程的结构化系统。 SDCMS扩展了结构因果模型（SCM）的多功能因果建模框架，也称为结构方程模型（SEM），通过显式允许时间依赖。 SDCM可以被认为是SCM的随机过程版本，其中SCM的静态随机变量由动态随机过程及其衍生物代替。我们为SDCMS理论提供基础，（i）正式定义SDCMS，其解决方案，随机干预和图形表示; （ii）对初始条件的解决方案的存在性和独特性; （iii）随着时间的推移倾向于无穷大，讨论SDCMS平衡的条件下降; （iv）将SDCM的性质与平衡SCM的性质相关联。这封对应关系使人们能够在研究大类随机动力系统的因果语义时利用SCM的大量统计工具和发现方法。该理论用来自不同科学域的几个众所周知的示例进行说明。

积极推论的中央概念是，物理系统参数概率的内部状态在外部世界的状态下衡量。这些可以被视为代理人的信仰，以贝叶斯先前或后部表示。在这里，我们开始发展一般理论，这将告诉我们何时适合将国家解释为以这种方式代表信仰。我们专注于系统可以被解释为执行贝叶斯滤波或贝叶斯推断的情况。我们使用类别理论的技术提供对存在这种解释的方法的形式定义。

在使用不同的培训环境展示时，获得机器学习任务的可推广解决方案的一种方法是找到数据的\ textit {不变表示}。这些是协变量的表示形式，以至于表示形式的最佳模型在培训环境之间是不变的。在线性结构方程模型（SEMS）的背景下，不变表示可能使我们能够以分布范围的保证（即SEM中的干预措施都有牢固的模型学习模型。为了解决{\ em有限示例}设置中不变的表示问题，我们考虑$ \ epsilon $ approximate不变性的概念。我们研究以下问题：如果表示给定数量的培训干预措施大致相当不变，那么在更大的看不见的SEMS集合中，它是否会继续大致不变？这种较大的SEM集合是通过参数化的干预措施来生成的。受PAC学习的启发，我们获得了有限样本的分布概括，保证了近似不变性，该概述\ textit {概率}在没有忠实假设的线性SEMS家族上。我们的结果表明，当干预站点仅限于恒定大小的子集的恒定限制节点的恒定子集时，界限不会在环境维度上扩展。我们还展示了如何将结果扩展到结合潜在变量的线性间接观察模型。

有条件的独立性已被广泛用于AI，因果推理，机器学习和统计数据。我们介绍分类生物，这是一种代数结构，用于表征条件独立性的普遍特性。分类物被定义为两个类别的混合体：一个编码由对象和箭头定义的预订的晶格结构；第二个二个参数化涉及定义​​条件独立性结构的三角体对象和形态，桥梁形态提供了二进制和三元结构之间的接口。我们使用公理集的三个众所周知的示例来说明分类生物：绘画，整数价值多组和分离型。 FOUNDOROIDS将一个分类型映射到另一个分类，从而保留了由共同域中所有三种类型的箭头定义的关系。我们描述了跨官能素的自然转化，该函数是跨常规物体和三角形对象的自然变化，以构建条件独立性的通用表示。我们使用分类器之间的辅助和单核，以抽象地表征条件独立性的图形和非图形表示的忠诚。

对抗性鲁棒性是各种现代机器学习应用中的关键财产。虽然它是最近几个理论研究的主题，但与对抗性稳健性有关的许多重要问题仍然是开放的。在这项工作中，我们研究了有关对抗对抗鲁棒性的贝叶斯最优性的根本问题。我们提供了一般的充分条件，可以保证贝叶斯最佳分类器的存在，以满足对抗性鲁棒性。我们的结果可以提供一种有用的工具，用于随后研究对抗性鲁棒性及其一致性的替代损失。这份稿件是“关于普通贝叶斯分类器的存在”在神经潮端中发表的延伸版本。原始纸张的结果不适用于一些非严格凸的规范。在这里，我们将结果扩展到所有可能的规范。