缺失数据在真实数据分析中普遍存在，并呈现令人生畏的挑战。虽然在分析全面观察数据的公平方面存在越来越多的文献，但在对不完全数据分析中调查公平性的理论上很少。在实践中，用于处理缺失数据的流行分析方法是仅使用一组完整的情况，即，与全部观察到训练预测算法的所有功能的观察结果。然而，根据缺失的数据机制，完整情况的分布和完整数据的分布可能与基本不同。当目标是在没有缺失值的完整数据域中开发一个公平算法时，在完整的案例域中是公平的算法可以向完整数据域中的一些边缘化组显示不成比例的偏置。为了填补这一重大缺口，我们研究了仅使用完整案例评估任意模型的完整数据域中的公平性的问题。我们在公平估算误差上提供上限和下限，并进行数值实验以评估我们的理论结果。我们的工作在分析不完全数据分析中提供了第一个关于公平保证的认识的理论结果。

尽管大规模的经验风险最小化（ERM）在各种机器学习任务中取得了高精度，但公平的ERM受到公平限制与随机优化的不兼容的阻碍。我们考虑具有离散敏感属性以及可能需要随机求解器的可能性大型模型和数据集的公平分类问题。现有的内部处理公平算法在大规模设置中要么是不切实际的，因为它们需要在每次迭代时进行大量数据，要么不保证它们会收敛。在本文中，我们开发了第一个具有保证收敛性的随机内处理公平算法。对于人口统计学，均衡的赔率和公平的机会均等的概念，我们提供了算法的略有变化，称为Fermi，并证明这些变化中的每一个都以任何批次大小收敛于随机优化。从经验上讲，我们表明Fermi适合具有多个（非二进制）敏感属性和非二进制目标的随机求解器，即使Minibatch大小也很小，也可以很好地表现。广泛的实验表明，与最先进的基准相比，FERMI实现了所有经过测试的设置之间的公平违规和测试准确性之间最有利的权衡，该基准是人口统计学奇偶校验，均衡的赔率，均等机会，均等机会。这些好处在小批量的大小和非二元分类具有大量敏感属性的情况下尤其重要，这使得费米成为大规模问题的实用公平算法。

It is of critical importance to be aware of the historical discrimination embedded in the data and to consider a fairness measure to reduce bias throughout the predictive modeling pipeline. Given various notions of fairness defined in the literature, investigating the correlation and interaction among metrics is vital for addressing unfairness. Practitioners and data scientists should be able to comprehend each metric and examine their impact on one another given the context, use case, and regulations. Exploring the combinatorial space of different metrics for such examination is burdensome. To alleviate the burden of selecting fairness notions for consideration, we propose a framework that estimates the correlation among fairness notions. Our framework consequently identifies a set of diverse and semantically distinct metrics as representative for a given context. We propose a Monte-Carlo sampling technique for computing the correlations between fairness metrics by indirect and efficient perturbation in the model space. Using the estimated correlations, we then find a subset of representative metrics. The paper proposes a generic method that can be generalized to any arbitrary set of fairness metrics. We showcase the validity of the proposal using comprehensive experiments on real-world benchmark datasets.

Colleges and universities use predictive analytics in a variety of ways to increase student success rates. Despite the potential for predictive analytics, two major barriers exist to their adoption in higher education: (a) the lack of democratization in deployment, and (b) the potential to exacerbate inequalities. Education researchers and policymakers encounter numerous challenges in deploying predictive modeling in practice. These challenges present in different steps of modeling including data preparation, model development, and evaluation. Nevertheless, each of these steps can introduce additional bias to the system if not appropriately performed. Most large-scale and nationally representative education data sets suffer from a significant number of incomplete responses from the research participants. While many education-related studies addressed the challenges of missing data, little is known about the impact of handling missing values on the fairness of predictive outcomes in practice. In this paper, we set out to first assess the disparities in predictive modeling outcomes for college-student success, then investigate the impact of imputation techniques on the model performance and fairness using a commonly used set of metrics. We conduct a prospective evaluation to provide a less biased estimation of future performance and fairness than an evaluation of historical data. Our comprehensive analysis of a real large-scale education dataset reveals key insights on modeling disparities and how imputation techniques impact the fairness of the student-success predictive outcome under different testing scenarios. Our results indicate that imputation introduces bias if the testing set follows the historical distribution. However, if the injustice in society is addressed and consequently the upcoming batch of observations is equalized, the model would be less biased.

在高赌注域中的机器学习工具的实际应用通常被调节为公平，因此预测目标应该满足相对于受保护属性的奇偶校验的一些定量概念。然而，公平性和准确性之间的确切权衡并不完全清楚，即使是对分类问题的基本范式也是如此。在本文中，我们通过在任何公平分类器的群体误差之和中提供较低的界限，在分类设置中表征统计奇偶校验和准确性之间的固有权衡。我们不可能的定理可以被解释为公平的某种不确定性原则：如果基本率不同，那么符合统计奇偶校验的任何公平分类器都必须在至少一个组中产生很大的错误。我们进一步扩展了这一结果，以便在学习公平陈述的角度下给出任何（大约）公平分类者的联合误差的下限。为了表明我们的下限是紧张的，假设Oracle访问贝叶斯（潜在不公平）分类器，我们还构造了一种返回一个随机分类器的算法，这是最佳和公平的。有趣的是，当受保护的属性可以采用超过两个值时，这个下限的扩展不承认分析解决方案。然而，在这种情况下，我们表明，通过解决线性程序，我们可以通过解决我们作为电视 - 重心问题的术语，电视距离的重心问题来有效地计算下限。在上面，我们证明，如果集团明智的贝叶斯最佳分类器是关闭的，那么学习公平的表示导致公平的替代概念，称为准确性奇偶校验，这使得错误率在组之间关闭。最后，我们还在现实世界数据集上进行实验，以确认我们的理论发现。

预测一组结果 - 而不是独特的结果 - 是统计学习中不确定性定量的有前途的解决方案。尽管有关于构建具有统计保证的预测集的丰富文献，但适应未知的协变量转变（实践中普遍存在的问题）还是一个严重的未解决的挑战。在本文中，我们表明具有有限样本覆盖范围保证的预测集是非信息性的，并提出了一种新型的无灵活分配方法PredSet-1Step，以有效地构建了在未知协方差转移下具有渐近覆盖范围保证的预测集。我们正式表明我们的方法是\ textIt {渐近上可能是近似正确}，对大型样本的置信度有很好的覆盖误差。我们说明，在南非队列研究中，它在许多实验和有关HIV风险预测的数据集中实现了名义覆盖范围。我们的理论取决于基于一般渐近线性估计器的WALD置信区间覆盖范围的融合率的新结合。

我们在分类的背景下研究公平，其中在接收器的曲线下的区域（AUC）下的区域测量的性能。当I型（误报）和II型（假阴性）错误都很重要时，通常使用AUC。然而，相同的分类器可以针对不同的保护组具有显着变化的AUC，并且在现实世界中，通常希望减少这种交叉组差异。我们解决如何选择其他功能，以便最大地改善弱势群体的AUC。我们的结果表明，功能的无条件方差不会通知我们关于AUC公平，而是类条件方差。使用此连接，我们基于功能增强（添加功能）来开发一种新颖的方法Fairauc，以减轻可识别组之间的偏差。我们评估综合性和现实世界（Compas）数据集的Fairauc，并发现它对于相对于基准，最大限度地提高了总体AUC并最大限度地减少了组之间的偏见的基准，它显着改善了弱势群体的AUC。

A recent explosion of research focuses on developing methods and tools for building fair predictive models. However, most of this work relies on the assumption that the training and testing data are representative of the target population on which the model will be deployed. However, real-world training data often suffer from selection bias and are not representative of the target population for many reasons, including the cost and feasibility of collecting and labeling data, historical discrimination, and individual biases. In this paper, we introduce a new framework for certifying and ensuring the fairness of predictive models trained on biased data. We take inspiration from query answering over incomplete and inconsistent databases to present and formalize the problem of consistent range approximation (CRA) of answers to queries about aggregate information for the target population. We aim to leverage background knowledge about the data collection process, biased data, and limited or no auxiliary data sources to compute a range of answers for aggregate queries over the target population that are consistent with available information. We then develop methods that use CRA of such aggregate queries to build predictive models that are certifiably fair on the target population even when no external information about that population is available during training. We evaluate our methods on real data and demonstrate improvements over state of the art. Significantly, we show that enforcing fairness using our methods can lead to predictive models that are not only fair, but more accurate on the target population.

针对社会福利计划中个人的干预措施的主要问题之一是歧视：个性化治疗可能导致跨年龄，性别或种族等敏感属性的差异。本文解决了公平有效的治疗分配规则的设计问题。我们采用了第一次的非遗憾视角，没有危害：我们选择了帕累托边境中最公平的分配。我们将优化投入到混合构成线性程序公式中，可以使用现成的算法来解决。我们对估计的政策功能的不公平性和在帕累托前沿的不公平保证在一般公平概念下的不公平性范围内得出了遗憾。最后，我们使用教育经济学的应用来说明我们的方法。

解决机器学习模型的公平关注是朝着实际采用现实世界自动化系统中的至关重要的一步。尽管已经开发了许多方法来从数据培训公平模型，但对这些方法对数据损坏的鲁棒性知之甚少。在这项工作中，我们考虑在最坏情况下的数据操作下进行公平意识学习。我们表明，在某些情况下，对手可能会迫使任何学习者返回过度偏见的分类器，无论样本量如何，有或没有降解的准确性，并且多余的偏见的强度会增加数据中数据不足的受保护组的学习问题，而数据中有代表性不足的组。我们还证明，我们的硬度结果紧密到不断的因素。为此，我们研究了两种自然学习算法，以优化准确性和公平性，并表明这些算法在损坏比和较大数据限制中受保护的群体频率方面享有订单最佳的保证。

尽管算法公平最近取得了进步，但通过广义线性模型（GLM）实现公平性的方法论，尽管GLM在实践中广泛使用，但尚待探索。在本文中，我们基于预期的结果或对数类似物的均衡介绍了两个公平标准。我们证明，对于GLMS，这两个标准都可以通过基于GLM的线性组件的凸惩罚项来实现，从而允许有效优化。我们还得出了由此产生的公平GLM估计器的理论特性。为了从经验上证明所提出的公平GLM的功效，我们将其与其他众所周知的公平预测方法进行了比较，以用于二进制分类和回归的广泛基准数据集。此外，我们证明了公平的GLM可以为二进制和连续结果以外的一系列响应变量产生公平的预测。

In many investigations, the primary outcome of interest is difficult or expensive to collect. Examples include long-term health effects of medical interventions, measurements requiring expensive testing or follow-up, and outcomes only measurable on small panels as in marketing. This reduces effective sample sizes for estimating the average treatment effect (ATE). However, there is often an abundance of observations on surrogate outcomes not of primary interest, such as short-term health effects or online-ad click-through. We study the role of such surrogate observations in the efficient estimation of treatment effects. To quantify their value, we derive the semiparametric efficiency bounds on ATE estimation with and without the presence of surrogates and several intermediary settings. The difference between these characterizes the efficiency gains from optimally leveraging surrogates. We study two regimes: when the number of surrogate observations is comparable to primary-outcome observations and when the former dominates the latter. We take an agnostic missing-data approach circumventing strong surrogate conditions previously assumed. To leverage surrogates' efficiency gains, we develop efficient ATE estimation and inference based on flexible machine-learning estimates of nuisance functions appearing in the influence functions we derive. We empirically demonstrate the gains by studying the long-term earnings effect of job training.

尽管现代的大规模数据集通常由异质亚群（例如，多个人口统计组或多个文本语料库）组成 - 最小化平均损失的标准实践并不能保证所有亚人群中均匀的低损失。我们提出了一个凸面程序，该过程控制给定尺寸的所有亚群中最差的表现。我们的程序包括有限样本（非参数）收敛的保证，可以保证最坏的亚群。从经验上讲，我们观察到词汇相似性，葡萄酒质量和累犯预测任务，我们最糟糕的程序学习了对不看到看不见的亚人群的模型。

机器学习中的歧视通常沿多个维度（又称保护属性）出现；因此，希望确保\ emph {交叉公平} - 即，没有任何子组受到歧视。众所周知，确保\ emph {边际公平}对于每个维度而言，独立不够。但是，由于亚组的指数数量，直接测量数据交叉公平性是不可能的。在本文中，我们的主要目标是通过统计分析详细了解边际和交叉公平之间的关系。我们首先确定一组足够的条件，在这些条件下可以获得确切的关系。然后，在一般情况下，我们证明了相交公平性的高概率的界限（通过边际公平和其他有意义的统计量很容易计算）。除了它们的描述价值之外，我们还可以利用这些理论界限来得出一种启发式，从而通过以相关的方式选择了我们描述相交子组的保护属性来改善交叉公平的近似和边界。最后，我们测试了实际和合成数据集的近似值和界限的性能。

我们在具有不对称损耗功能的数据丰富的环境中研究了二元选择问题。经济学学文献涵盖非参数二元选择问题，但在富含数据的环境中没有提供计算上有吸引力的解决方案。机器学习文献具有许多算法，但主要集中在独立于协变量的损耗功能上。我们表明，通过基于损失的损失的重量或最先进的机器学习技术，可以通过非常简单的损失的重量来实现关于与一般损失函数的二元成果的理论上有效决策。我们将我们的分析应用于审前拘留中的种族正义。

我们调查了在线性模型下采用人口统计学作为公平限制的线性模型下公平回归问题的最小误差。作为一种可拖动的人口统计学限制，我们介绍$（\ alpha，\ delta）$ - 公平性一致性，这意味着量化的不公平最多减少了$ n^{ - \ alpha} $，至少具有概率$ 1- \ delta $，其中$ n $是样本量。换句话说，始终如一的公平算法最终会输出回归器，因为$ n $倾向于无限，满足人口统计奇偶校验约束。由于我们的分析，我们发现$（\ alpha，\ delta）$ - 公平性一致性约束为$ \ theta（\ frac {dm} {n}）$下的最小值最佳错误。le \ frac {1} {2} $，其中$ d $是维度，$ m $是从敏感属性引起的组数。这是第一项研究，揭示了线性模型下公平回归问题的最小值最佳性。

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。

转移学习或域适应性与机器学习问题有关，在这些问题中，培训和测试数据可能来自可能不同的概率分布。在这项工作中，我们在Russo和Xu发起的一系列工作之后，就通用错误和转移学习算法的过量风险进行了信息理论分析。我们的结果也许表明，也许正如预期的那样，kullback-leibler（kl）Divergence $ d（\ mu || \ mu'）$在$ \ mu $和$ \ mu'$表示分布的特征中起着重要作用。培训数据和测试测试。具体而言，我们为经验风险最小化（ERM）算法提供了概括误差上限，其中两个分布的数据在训练阶段都可用。我们进一步将分析应用于近似的ERM方法，例如Gibbs算法和随机梯度下降方法。然后，我们概括了与$ \ phi $ -Divergence和Wasserstein距离绑定的共同信息。这些概括导致更紧密的范围，并且在$ \ mu $相对于$ \ mu' $的情况下，可以处理案例。此外，我们应用了一套新的技术来获得替代的上限，该界限为某些学习问题提供了快速（最佳）的学习率。最后，受到派生界限的启发，我们提出了Infoboost算法，其中根据信息测量方法对源和目标数据的重要性权重进行了调整。经验结果表明了所提出的算法的有效性。

作为一种预测模型的评分系统具有可解释性和透明度的显着优势，并有助于快速决策。因此，评分系统已广泛用于各种行业，如医疗保健和刑事司法。然而，这些模型中的公平问题长期以来一直受到批评，并且使用大数据和机器学习算法在评分系统的构建中提高了这个问题。在本文中，我们提出了一般框架来创建公平知识，数据驱动评分系统。首先，我们开发一个社会福利功能，融入了效率和群体公平。然后，我们将社会福利最大化问题转换为机器学习中的风险最小化任务，并在混合整数编程的帮助下导出了公平感知评分系统。最后，导出了几种理论界限用于提供参数选择建议。我们拟议的框架提供了适当的解决方案，以解决进程中的分组公平问题。它使政策制定者能够设置和定制其所需的公平要求以及其他特定于应用程序的约束。我们用几个经验数据集测试所提出的算法。实验证据支持拟议的评分制度在实现利益攸关方的最佳福利以及平衡可解释性，公平性和效率的需求方面的有效性。

在本文中，我们的目标是提供对半监督（SS）因果推理的一般性和完全理解治疗效果。具体而言，我们考虑两个这样的估计值：（a）平均治疗效果和（b）定量处理效果，作为原型案例，在SS设置中，其特征在于两个可用的数据集：（i）标记的数据集大小$ N $，为响应和一组高维协变量以及二元治疗指标提供观察。 （ii）一个未标记的数据集，大小超过$ n $，但未观察到的响应。使用这两个数据集，我们开发了一个SS估计系列，该系列是：（1）更强大，并且（2）比其监督对应力更高的基于标记的数据集。除了通过监督方法可以实现的“标准”双重稳健结果（在一致性方面），我们还在正确指定模型中的倾向得分，我们进一步建立了我们SS估计的根本-N一致性和渐近常态。没有需要涉及的特定形式的滋扰职能。这种改善的鲁棒性来自使用大规模未标记的数据，因此通常不能在纯粹监督的环境中获得。此外，只要正确指定所有滋扰函数，我们的估计值都显示为半参数效率。此外，作为滋扰估计器的说明，我们考虑逆概率加权型核平滑估计，涉及未知的协变量转换机制，并在高维情景新颖的情况下建立其统一的收敛速率，这应该是独立的兴趣。两种模拟和实际数据的数值结果验证了我们对其监督对应物的优势，了解鲁棒性和效率。