公司跨行业对机器学习（ML）的快速传播采用了重大的监管挑战。一个这样的挑战就是可伸缩性：监管机构如何有效地审核这些ML模型，以确保它们是公平的？在本文中，我们启动基于查询的审计算法的研究，这些算法可以以查询有效的方式估算ML模型的人口统计学率。我们提出了一种最佳的确定性算法，以及具有可比保证的实用随机，甲骨文效率的算法。此外，我们进一步了解了随机活动公平估计算法的最佳查询复杂性。我们对主动公平估计的首次探索旨在将AI治理置于更坚定的理论基础上。

模仿学习（IL）是解决顺序决策问题的一般学习范式。互动模仿学习，学习者可以在其中与专家示范的互动查询，与其离线同行或强化学习相比，已证明可以实现可证明的卓越样本效率保证。在这项工作中，我们研究了基于分类的在线模仿学习（abbrev。$ \ textbf {coil} $），以及在这种情况下设计Oracle有效的遗憾最小化算法的基本可行性，重点是一般的不可思议的情况。我们做出以下贡献：（1）我们表明，在$ \ textbf {coil} $问题中，任何适当的在线学习算法都不能保证总体上遗憾的是； （2）我们提出了$ \ textbf {logger} $，一种不当的在线学习算法框架，通过利用混合策略类的新定义，将$ \ textbf {coil} $降低到在线线性优化； （3）我们在$ \ textbf {logger} $框架中设计了两种Oracle效率算法，它们享受不同的样本和互动的复杂性权衡，并进行有限样本分析以显示其对幼稚行为克隆的改进； （4）我们表明，在标准复杂性理论假设下，在$ \ textbf {logger} $框架中，有效的动态遗憾最小化是不可行的。我们的工作将基于分类的在线模仿学习（一个重要的IL设置）置于更牢固的基础上。

The most prevalent notions of fairness in machine learning are statistical definitions: they fix a small collection of high-level, pre-defined groups (such as race or gender), and then ask for approximate parity of some statistic of the classifier (like positive classification rate or false positive rate) across these groups. Constraints of this form are susceptible to (intentional or inadvertent) fairness gerrymandering, in which a classifier appears to be fair on each individual group, but badly violates the fairness constraint on one or more structured subgroups defined over the protected attributes (such as certain combinations of protected attribute values). We propose instead to demand statistical notions of fairness across exponentially (or infinitely) many subgroups, defined by a structured class of functions over the protected attributes. This interpolates between statistical definitions of fairness, and recently proposed individual notions of fairness, but it raises several computational challenges. It is no longer clear how to even check or audit a fixed classifier to see if it satisfies such a strong definition of fairness. We prove that the computational problem of auditing subgroup fairness for both equality of false positive rates and statistical parity is equivalent to the problem of weak agnostic learning -which means it is computationally hard in the worst case, even for simple structured subclasses. However, it also suggests that common heuristics for learning can be applied to successfully solve the auditing problem in practice.We then derive two algorithms that provably converge to the best fair distribution over classifiers in a given class, given access to oracles which can optimally solve the agnostic learning problem. The algorithms are based on a formulation of subgroup fairness as a two-player zero-sum game between a Learner (the primal player) and an Auditor (the dual player). Both algorithms compute an equilibrium of this game. We obtain our first algorithm by simulating play of the game by having Learner play an instance of the no-regret Follow the Perturbed Leader algorithm, and having Auditor play best response. This algorithm provably converges to an approximate Nash equilibrium (and thus to an approximately optimal subgroup-fair distribution over classifiers) in a polynomial number of steps. We obtain our second algorithm by simulating play of the game by having both players play Fictitious Play, which enjoys only provably asymptotic convergence, but has the merit of simplicity and faster per-step computation. We implement the Fictitious Play version using linear regression as a heuristic oracle, and show that we can effectively both audit and learn fair classifiers on real datasets.

我们提出了改进的算法，并为身份测试$ n $维分布的问题提供了统计和计算下限。在身份测试问题中，我们将作为输入作为显式分发$ \ mu $，$ \ varepsilon> 0 $，并访问对隐藏分布$ \ pi $的采样甲骨文。目标是区分两个分布$ \ mu $和$ \ pi $是相同的还是至少$ \ varepsilon $ -far分开。当仅从隐藏分布$ \ pi $中访问完整样本时，众所周知，可能需要许多样本，因此以前的作品已经研究了身份测试，并额外访问了各种有条件采样牙齿。我们在这里考虑一个明显弱的条件采样甲骨文，称为坐标Oracle，并在此新模型中提供了身份测试问题的相当完整的计算和统计表征。我们证明，如果一个称为熵的分析属性为可见分布$ \ mu $保留，那么对于任何使用$ \ tilde {o}（n/\ tilde {o}），有一个有效的身份测试算法Varepsilon）$查询坐标Oracle。熵的近似张力是一种经典的工具，用于证明马尔可夫链的最佳混合时间边界用于高维分布，并且最近通过光谱独立性为许多分布族建立了最佳的混合时间。我们将算法结果与匹配的$ \ omega（n/\ varepsilon）$统计下键进行匹配的算法结果补充，以供坐标Oracle下的查询数量。我们还证明了一个计算相变：对于$ \ {+1，-1，-1 \}^n $以上的稀疏抗抗铁磁性模型，在熵失败的近似张力失败的状态下，除非RP = np，否则没有有效的身份测试算法。

我们在禁用的对手存在下研究公平分类，允许获得$ \ eta $，选择培训样本的任意$ \ eta $ -flaction，并任意扰乱受保护的属性。由于战略误报，恶意演员或归责的错误，受保护属性可能不正确的设定。和现有的方法，使随机或独立假设对错误可能不满足其在这种对抗环境中的保证。我们的主要贡献是在这种对抗的环境中学习公平分类器的优化框架，这些普遍存在的准确性和公平性提供了可证明的保证。我们的框架适用于多个和非二进制保护属性，专为大类线性分数公平度量设计，并且还可以处理除了受保护的属性之外的扰动。我们证明了我们框架的近密性，对自然假设类别的保证：没有算法可以具有明显更好的准确性，并且任何具有更好公平性的算法必须具有较低的准确性。凭经验，我们评估了我们对统计率的统计税务统计税率为一个对手的统计税率产生的分类机。

我们考虑在可实现的环境中进行交互式学习，并开发一般框架，以处理从最佳ARM识别到主动分类的问题。我们开始调查，即观察到可怕算法\ emph {无法实现可实现的设置中最佳最佳状态。因此，我们设计了新的计算有效的算法，可实现最可实现的设置，该算法与对数因子的最小限制相匹配，并且是通用的，适用于包括内核方法的各种功能类，H {\“O}偏置函数，以及凸起功能。我们的算法的样本复杂性可以在众所周知的数量中量化，如延长的教学尺寸和干草堆维度。然而，与直接基于这些组合量的算法不同，我们的算法是计算效率的。实现计算效率，我们的算法使用Monte Carlo“命令运行”算法来从版本空间中的样本，而不是明确地维护版本空间。我们的方法有两个关键优势。首先，简单，由两个统一，贪婪的算法组成。第二，我们的算法具有能够无缝地利用经常可用和在实践中有用的知识。此外为了我们的新理论结果，我们经验证明我们的算法与高斯过程UCB方法具有竞争力。

可实现和不可知性的可读性的等价性是学习理论的基本现象。与PAC学习和回归等古典设置范围的变种，近期趋势，如对冲强劲和私人学习，我们仍然缺乏统一理论;等同性的传统证据往往是不同的，并且依赖于强大的模型特异性假设，如统一的收敛和样本压缩。在这项工作中，我们给出了第一个独立的框架，解释了可实现和不可知性的可读性的等价性：三行黑箱减少简化，统一，并在各种各样的环境中扩展了我们的理解。这包括没有已知的学报的模型，例如学习任意分布假设或一般损失，以及许多其他流行的设置，例如强大的学习，部分学习，公平学习和统计查询模型。更一般地，我们认为可实现和不可知的学习的等价性实际上是我们调用属性概括的更广泛现象的特殊情况：可以满足有限的学习算法（例如\噪声公差，隐私，稳定性）的任何理想性质假设类（可能在某些变化中）延伸到任何学习的假设类。

我们重新审视耐受分发测试的问题。也就是说，给出来自未知分发$ P $超过$ \ {1，\ dots，n \} $的样本，它是$ \ varepsilon_1 $ -close到或$ \ varepsilon_2 $ -far从引用分发$ q $（总变化距离）？尽管过去十年来兴趣，但在极端情况下，这个问题很好。在无噪声设置（即，$ \ varepsilon_1 = 0 $）中，样本复杂性是$ \ theta（\ sqrt {n}）$，强大的域大小。在频谱的另一端时，当$ \ varepsilon_1 = \ varepsilon_2 / 2 $时，样本复杂性跳转到勉强su​​blinear $ \ theta（n / \ log n）$。然而，非常少于中级制度。我们充分地表征了分发测试中的公差价格，作为$ N $，$ varepsilon_1 $，$ \ varepsilon_2 $，最多一个$ \ log n $ factor。具体来说，我们显示了\ [\ tilde \ theta \ left的样本复杂性（\ frac {\ sqrt {n}} {\ varepsilon_2 ^ {2}} + \ frac {n} {\ log n} \ cdot \ max \左\ {\ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2 ^ 2}，\ left（\ frac {\ varepsilon_1} {\ varepsilon_2 ^ 2} \右）^ {\！\！\！2} \ \ \} \右） ，\]提供两个先前已知的案例之间的顺利折衷。我们还为宽容的等价测试问题提供了类似的表征，其中$ p $和$ q $均未赘述。令人惊讶的是，在这两种情况下，对样本复杂性的主数量是比率$ \ varepsilon_1 / varepsilon_2 ^ 2 $，而不是更直观的$ \ varepsilon_1 / \ varepsilon_2 $。特别是技术兴趣是我们的下限框架，这涉及在以往的工作中处理不对称所需的新颖近似性理论工具，从而缺乏以前的作品。

Learning problems form an important category of computational tasks that generalizes many of the computations researchers apply to large real-life data sets. We ask: what concept classes can be learned privately, namely, by an algorithm whose output does not depend too heavily on any one input or specific training example? More precisely, we investigate learning algorithms that satisfy differential privacy, a notion that provides strong confidentiality guarantees in contexts where aggregate information is released about a database containing sensitive information about individuals.Our goal is a broad understanding of the resources required for private learning in terms of samples, computation time, and interaction. We demonstrate that, ignoring computational constraints, it is possible to privately agnostically learn any concept class using a sample size approximately logarithmic in the cardinality of the concept class. Therefore, almost anything learnable is learnable privately: specifically, if a concept class is learnable by a (non-private) algorithm with polynomial sample complexity and output size, then it can be learned privately using a polynomial number of samples. We also present a computationally efficient private PAC learner for the class of parity functions. This result dispels the similarity between learning with noise and private learning (both must be robust to small changes in inputs), since parity is thought to be very hard to learn given random classification noise.Local (or randomized response) algorithms are a practical class of private algorithms that have received extensive investigation. We provide a precise characterization of local private learning algorithms. We show that a concept class is learnable by a local algorithm if and only if it is learnable in the statistical query (SQ) model. Therefore, for local private learning algorithms, the similarity to learning with noise is stronger: local learning is equivalent to SQ learning, and SQ algorithms include most known noise-tolerant learning algorithms. Finally, we present a separation between the power of interactive and noninteractive local learning algorithms. Because of the equivalence to SQ learning, this result also separates adaptive and nonadaptive SQ learning.

积极的学习方法在减少学习所需的样本数量方面表现出了巨大的希望。随着自动化学习系统被采用到实时的现实世界决策管道中，越来越重要的是，这种算法的设计考虑到了安全性。在这项工作中，我们研究了在互动环境中学习最佳安全决定的复杂性。我们将这个问题减少到约束的线性匪徒问题，我们的目标是找到满足某些（未知）安全限制的最佳手臂。我们提出了一种基于自适应的实验性设计算法，在显示ARM的难度与次优的难度之间，我们表现出了有效的交易。据我们所知，我们的结果是具有安全限制的线性匪徒最佳武器识别。实际上，我们证明了这种方法在合成和现实世界数据集上的表现很好。

我们研究动态算法，以便在$ N $插入和删除流中最大化单调子模块功能的问题。我们显示任何维护$（0.5+ epsilon）$ - 在基数约束下的近似解决方案的算法，对于任何常数$ \ epsilon> 0 $，必须具有$ \ mathit {polynomial} $的摊销查询复杂性$ n $。此外，需要线性摊销查询复杂性，以维持0.584美元 - 批量的解决方案。这与近期[LMNF + 20，MON20]的最近动态算法相比，达到$（0.5- \ epsilon）$ - 近似值，与$ \ mathsf {poly} \ log（n）$摊销查询复杂性。在正面，当流是仅插入的时候，我们在基数约束下的问题和近似的Matroid约束下提供有效的算法，近似保证$ 1-1 / e-\ epsilon $和摊销查询复杂性$ \ smash {o （\ log（k / \ epsilon）/ \ epsilon ^ 2）} $和$ \ smash {k ^ {\ tilde {o}（1 / \ epsilon ^ 2）} \ log n} $，其中$ k $表示基数参数或Matroid的等级。

我们在高斯分布下使用Massart噪声与Massart噪声进行PAC学习半个空间的问题。在Massart模型中，允许对手将每个点$ \ mathbf {x} $的标签与未知概率$ \ eta（\ mathbf {x}）\ leq \ eta $，用于某些参数$ \ eta \ [0,1 / 2] $。目标是找到一个假设$ \ mathrm {opt} + \ epsilon $的错误分类错误，其中$ \ mathrm {opt} $是目标半空间的错误。此前已经在两个假设下研究了这个问题：（i）目标半空间是同质的（即，分离超平面通过原点），并且（ii）参数$ \ eta $严格小于$ 1/2 $。在此工作之前，当除去这些假设中的任何一个时，不知道非增长的界限。我们研究了一般问题并建立以下内容：对于$ \ eta <1/2 $，我们为一般半个空间提供了一个学习算法，采用样本和计算复杂度$ d ^ {o_ {\ eta}（\ log（1 / \ gamma） ）））}} \ mathrm {poly}（1 / \ epsilon）$，其中$ \ gamma = \ max \ {\ epsilon，\ min \ {\ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= 1]， \ mathbf {pr} [f（\ mathbf {x}）= -1] \} \} $是目标半空间$ f $的偏差。现有的高效算法只能处理$ \ gamma = 1/2 $的特殊情况。有趣的是，我们建立了$ d ^ {\ oomega（\ log（\ log（\ log（\ log））}}的质量匹配的下限，而是任何统计查询（SQ）算法的复杂性。对于$ \ eta = 1/2 $，我们为一般半空间提供了一个学习算法，具有样本和计算复杂度$ o_ \ epsilon（1）d ^ {o（\ log（1 / epsilon））} $。即使对于均匀半空间的子类，这个结果也是新的;均匀Massart半个空间的现有算法为$ \ eta = 1/2 $提供可持续的保证。我们与D ^ {\ omega（\ log（\ log（\ log（\ log（\ epsilon））} $的近似匹配的sq下限补充了我们的上限，这甚至可以为同类半空间的特殊情况而保持。

我们提出并分析了算法，以解决用户级差分隐私约束下的一系列学习任务。用户级DP仅保证只保证个人样本的隐私，而是保护用户的整个贡献（$ M \ GE 1 $ Samples），而不是对信息泄漏提供更严格但更现实的保护。我们表明，对于高维平均估计，具有平稳损失，随机凸优化和学习假设类别的经验风险最小化，具有有限度量熵，隐私成本随着用户提供的$ O（1 / \ SQRT {M}）$减少更多样本。相比之下，在增加用户数量$ N $时，隐私成本以较快的价格降低（1 / n）$率。我们将这些结果与下界相提并论，显示了我们算法的最低限度估计和随机凸优化的算法。我们的算法依赖于私有平均估计的新颖技术，其任意维度与误差缩放为浓度半径$ \ tai $的分布而不是整个范围。

经典的算法adaboost允许转换一个弱学习者，这是一种算法，它产生的假设比机会略好，成为一个强大的学习者，在获得足够的培训数据时，任意高精度。我们提出了一种新的算法，该算法从弱学习者中构建了一个强大的学习者，但比Adaboost和所有其他弱者到强大的学习者使用训练数据少，以实现相同的概括界限。样本复杂性下限表明我们的新算法使用最小可能的训练数据，因此是最佳的。因此，这项工作解决了从弱学习者中构建强大学习者的经典问题的样本复杂性。

我们研究了在存在$ \ epsilon $ - 对抗异常值的高维稀疏平均值估计的问题。先前的工作为此任务获得了该任务的样本和计算有效算法，用于辅助性Subgaussian分布。在这项工作中，我们开发了第一个有效的算法，用于强大的稀疏平均值估计，而没有对协方差的先验知识。对于$ \ Mathbb r^d $上的分布，带有“认证有限”的$ t $ tum-矩和足够轻的尾巴，我们的算法达到了$ o（\ epsilon^{1-1/t}）$带有样品复杂性$的错误（\ epsilon^{1-1/t}） m =（k \ log（d））^{o（t）}/\ epsilon^{2-2/t} $。对于高斯分布的特殊情况，我们的算法达到了$ \ tilde o（\ epsilon）$的接近最佳错误，带有样品复杂性$ m = o（k^4 \ mathrm {polylog}（d）（d））/\ epsilon^^ 2 $。我们的算法遵循基于方形的总和，对算法方法的证明。我们通过统计查询和低度多项式测试的下限来补充上限，提供了证据，表明我们算法实现的样本时间 - 错误权衡在质量上是最好的。

我们研究了非参数在线回归中的快速收敛速度，即遗憾的是关于具有有界复杂度的任意函数类来定义后悔。我们的贡献是两倍： - 在绝对损失中的非参数网上回归的可实现设置中，我们提出了一种随机适当的学习算法，该算法在假设类的顺序脂肪破碎尺寸方面获得了近乎最佳的错误。在与一类Littlestone维度$ D $的在线分类中，我们的绑定减少到$ d \ cdot {\ rm poly} \ log t $。这结果回答了一个问题，以及适当的学习者是否可以实现近乎最佳错误的界限;以前，即使在线分类，绑定的最知名错误也是$ \ tilde o（\ sqrt {dt}）$。此外，对于真实值（回归）设置，在这项工作之前，界定的最佳错误甚至没有以不正当的学习者所知。 - 使用上述结果，我们展示了Littlestone维度$ D $的一般总和二进制游戏的独立学习算法，每个玩家达到后悔$ \ tilde o（d ^ {3/4} \ cdot t ^ {1 / 4}）$。该结果概括了Syrgkanis等人的类似结果。 （2015）谁表明，在有限的游戏中，最佳遗憾可以从普通的o（\ sqrt {t}）$中的$ o（\ sqrt {t}）为游戏设置中的$ o（t ^ {1/4}）$。要建立上述结果，我们介绍了几种新技术，包括：分层聚合规则，以实现对实际类别的最佳错误，Hanneke等人的适当在线可实现学习者的多尺度扩展。 （2021），一种方法来表明这种非参数学习算法的输出是稳定的，并且证明Minimax定理在所有在线学习游戏中保持。

We study the relationship between adversarial robustness and differential privacy in high-dimensional algorithmic statistics. We give the first black-box reduction from privacy to robustness which can produce private estimators with optimal tradeoffs among sample complexity, accuracy, and privacy for a wide range of fundamental high-dimensional parameter estimation problems, including mean and covariance estimation. We show that this reduction can be implemented in polynomial time in some important special cases. In particular, using nearly-optimal polynomial-time robust estimators for the mean and covariance of high-dimensional Gaussians which are based on the Sum-of-Squares method, we design the first polynomial-time private estimators for these problems with nearly-optimal samples-accuracy-privacy tradeoffs. Our algorithms are also robust to a constant fraction of adversarially-corrupted samples.

We establish a simple connection between robust and differentially-private algorithms: private mechanisms which perform well with very high probability are automatically robust in the sense that they retain accuracy even if a constant fraction of the samples they receive are adversarially corrupted. Since optimal mechanisms typically achieve these high success probabilities, our results imply that optimal private mechanisms for many basic statistics problems are robust. We investigate the consequences of this observation for both algorithms and computational complexity across different statistical problems. Assuming the Brennan-Bresler secret-leakage planted clique conjecture, we demonstrate a fundamental tradeoff between computational efficiency, privacy leakage, and success probability for sparse mean estimation. Private algorithms which match this tradeoff are not yet known -- we achieve that (up to polylogarithmic factors) in a polynomially-large range of parameters via the Sum-of-Squares method. To establish an information-computation gap for private sparse mean estimation, we also design new (exponential-time) mechanisms using fewer samples than efficient algorithms must use. Finally, we give evidence for privacy-induced information-computation gaps for several other statistics and learning problems, including PAC learning parity functions and estimation of the mean of a multivariate Gaussian.

我们研究了算法收到I.I.D的统计问题中对抗噪声模型的基本问题。从分发$ \ mathcal {d} $绘制。这些对手的定义指定了允许的损坏类型（噪声模型）以及可以进行这些损坏（适应性）;后者区别了唯一可以损坏分发$ \ mathcal {d} $和适应性对手的疏忽，这些对手可以损坏他们的腐败依赖于从$ \ mathcal {d} $绘制的特定样本$ s $。在这项工作中，我们调查了在文献中研究的所有噪声模型中是否有效地相当于自适应对手。具体而言，算法$ \ mathcal {a} $的行为可以在不受算法$ \ mathcal {a}'$的情况下始终受到适应性对手的存在的良好近似？我们的第一个结果表明，这确实是在所有合理的噪声模型下广泛的统计查询算法的情况。然后，我们显示在附加噪声的具体情况下，这种等价物适用于所有算法。最后，我们将所有算法和所有合理的噪声模型中的最丰富的一般性映射到最完整的普遍性的方法。

在随着时间变化的组合环境中的在线决策激励，我们研究了将离线算法转换为其在线对应物的问题。我们专注于使用贪婪算法对局部错误的贪婪算法进行恒定因子近似的离线组合问题。对于此类问题，我们提供了一个通用框架，该框架可有效地将稳健的贪婪算法转换为使用Blackwell的易近算法。我们证明，在完整信息设置下，由此产生的在线算法具有$ O（\ sqrt {t}）$（近似）遗憾。我们进一步介绍了Blackwell易接近性的强盗扩展，我们称之为Bandit Blackwell的可接近性。我们利用这一概念将贪婪的稳健离线算法转变为匪（t^{2/3}）$（近似）$（近似）的遗憾。展示了我们框架的灵活性，我们将脱机之间的转换应用于收入管理，市场设计和在线优化的几个问题，包括在线平台中的产品排名优化，拍卖中的储备价格优化以及supperular tossodular最大化。 。我们还将还原扩展到连续优化的类似贪婪的一阶方法，例如用于最大化连续强的DR单调下调功能，这些功能受到凸约束的约束。我们表明，当应用于这些应用程序时，我们的转型会导致新的后悔界限或改善当前已知界限。我们通过为我们的两个应用进行数值模拟来补充我们的理论研究，在这两种应用中，我们都观察到，转换的数值性能在实际情况下优于理论保证。