准实验研究设计，如回归不连续性和中断的时间序列，允许在缺乏随机对照试验的情况下进行因果推断，以额外的假设。在本文中，我们为使用贝叶斯模型比较和高斯进程回归提供了一种基于不连续性的设计的框架，我们将其称为“贝叶斯非参数不连续性设计”，或短路。 BNDD在这种设计的大多数实现中解决了两个主要的缺点：由于隐式调节对所谓的效果而言，由于依赖过于简单的回归模型，模型误操作。通过适当的高斯过程协方差函数，我们的方法可以检测任何订单的不连续性，以及频谱特征。我们展示了BNDD在模拟中的使用情况，并应用了框架，以确定历史悠久的政治立场的效果，涉嫌历史幻影边境在荷兰对荷兰投票行为的影响，以及昆达里尼瑜伽冥想对心率。

大型观察数据越来越多地提供健康，经济和社会科学等学科，研究人员对因果问题而不是预测感兴趣。在本文中，从旨在调查参与学校膳食计划对健康指标的实证研究，研究了使用非参数回归的方法估算异质治疗效果的问题。首先，我们介绍了与观察或非完全随机数据进行因果推断相关的设置和相关的问题，以及如何在统计学习工具的帮助下解决这些问题。然后，我们审查并制定现有最先进的框架的统一分类，允许通过非参数回归模型来估算单个治疗效果。在介绍模型选择问题的简要概述后，我们说明了一些关于三种不同模拟研究的方法的性能。我们通过展示一些关于学校膳食计划数据的实证分析的一些方法的使用来结束。

Causal inference is the process of using assumptions, study designs, and estimation strategies to draw conclusions about the causal relationships between variables based on data. This allows researchers to better understand the underlying mechanisms at work in complex systems and make more informed decisions. In many settings, we may not fully observe all the confounders that affect both the treatment and outcome variables, complicating the estimation of causal effects. To address this problem, a growing literature in both causal inference and machine learning proposes to use Instrumental Variables (IV). This paper serves as the first effort to systematically and comprehensively introduce and discuss the IV methods and their applications in both causal inference and machine learning. First, we provide the formal definition of IVs and discuss the identification problem of IV regression methods under different assumptions. Second, we categorize the existing work on IV methods into three streams according to the focus on the proposed methods, including two-stage least squares with IVs, control function with IVs, and evaluation of IVs. For each stream, we present both the classical causal inference methods, and recent developments in the machine learning literature. Then, we introduce a variety of applications of IV methods in real-world scenarios and provide a summary of the available datasets and algorithms. Finally, we summarize the literature, discuss the open problems and suggest promising future research directions for IV methods and their applications. We also develop a toolkit of IVs methods reviewed in this survey at https://github.com/causal-machine-learning-lab/mliv.

估计平均因果效应的理想回归（如果有）是什么？我们在离散协变量的设置中研究了这个问题，从而得出了各种分层估计器的有限样本方差的表达式。这种方法阐明了许多广泛引用的结果的基本统计现象。我们的博览会结合了研究因果效应估计的三种不同的方法论传统的见解：潜在结果，因果图和具有加性误差的结构模型。

The viral load of patients infected with SARS-CoV-2 varies on logarithmic scales and possibly with age. Controversial claims have been made in the literature regarding whether the viral load distribution actually depends on the age of the patients. Such a dependence would have implications for the COVID-19 spreading mechanism, the age-dependent immune system reaction, and thus for policymaking. We hereby develop a method to analyze viral-load distribution data as a function of the patients' age within a flexible, non-parametric, hierarchical, Bayesian, and causal model. The causal nature of the developed reconstruction additionally allows to test for bias in the data. This could be due to, e.g., bias in patient-testing and data collection or systematic errors in the measurement of the viral load. We perform these tests by calculating the Bayesian evidence for each implied possible causal direction. The possibility of testing for bias in data collection and identifying causal directions can be very useful in other contexts as well. For this reason we make our model freely available. When applied to publicly available age and SARS-CoV-2 viral load data, we find a statistically significant increase in the viral load with age, but only for one of the two analyzed datasets. If we consider this dataset, and based on the current understanding of viral load's impact on patients' infectivity, we expect a non-negligible difference in the infectivity of different age groups. This difference is nonetheless too small to justify considering any age group as noninfectious.

在本文中，我们提出了一种非参数估计的方法，并推断了一般样本选择模型中因果效应参数的异质界限，初始治疗可能会影响干预后结果是否观察到。可观察到的协变量可能会混淆治疗选择，而观察结果和不可观察的结果可能会混淆。该方法提供条件效应界限作为策略相关的预处理变量的功能。它允许对身份不明的条件效应曲线进行有效的统计推断。我们使用灵活的半参数脱偏机学习方法，该方法可以适应柔性功能形式和治疗，选择和结果过程之间的高维混杂变量。还提供了易于验证的高级条件，以进行估计和错误指定的鲁棒推理保证。

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.

We propose a new method to estimate causal effects from nonexperimental data. Each pair of sample units is first associated with a stochastic 'treatment' - differences in factors between units - and an effect - a resultant outcome difference. It is then proposed that all such pairs can be combined to provide more accurate estimates of causal effects in observational data, provided a statistical model connecting combinatorial properties of treatments to the accuracy and unbiasedness of their effects. The article introduces one such model and a Bayesian approach to combine the $O(n^2)$ pairwise observations typically available in nonexperimnetal data. This also leads to an interpretation of nonexperimental datasets as incomplete, or noisy, versions of ideal factorial experimental designs. This approach to causal effect estimation has several advantages: (1) it expands the number of observations, converting thousands of individuals into millions of observational treatments; (2) starting with treatments closest to the experimental ideal, it identifies noncausal variables that can be ignored in the future, making estimation easier in each subsequent iteration while departing minimally from experiment-like conditions; (3) it recovers individual causal effects in heterogeneous populations. We evaluate the method in simulations and the National Supported Work (NSW) program, an intensively studied program whose effects are known from randomized field experiments. We demonstrate that the proposed approach recovers causal effects in common NSW samples, as well as in arbitrary subpopulations and an order-of-magnitude larger supersample with the entire national program data, outperforming Statistical, Econometrics and Machine Learning estimators in all cases...

为了进一步开发异构治疗效果的统计推理问题，本文在Breiman（2001）随机林树（RFT）和Wager等人的情况下建立了使用古典的优秀统计属性来参数化非参数问题的（2018）因果树。oLs和基于协变量分数的局部线性间隔的划分，同时保留随机林树木，具有可构造的置信区间和渐近常数特性的优势[athey和Imbens（2016），efron（2014），赌第等（2014年）\ citep {wagert2014Asymptotic}，我们根据固定规则提出了一个决策树，根据固定规则与本地样本的多项式估计相结合，我们称之为临时局部线性因果树（QLPRT）和林（QLPRF）。

传统的因果推理方法利用观察性研究数据来估计潜在治疗的观察到的差异和未观察到的结果，称为条件平均治疗效果（CATE）。然而，凯特就对应于仅第一刻的比较，因此可能不足以反映治疗效果的全部情况。作为替代方案，估计全部潜在结果分布可以提供更多的见解。但是，估计治疗效果的现有方法潜在的结果分布通常对这些分布施加限制性或简单的假设。在这里，我们提出了合作因果网络（CCN），这是一种新颖的方法，它通过学习全部潜在结果分布而超出了CATE的估计。通过CCN框架估算结果分布不需要对基础数据生成过程的限制性假设。此外，CCN促进了每种可能处理的效用的估计，并允许通过效用函数进行特定的特定变异。 CCN不仅将结果估计扩展到传统的风险差异之外，而且还可以通过定义灵活的比较来实现更全面的决策过程。根据因果文献中通常做出的假设，我们表明CCN学习了渐近捕获真正潜在结果分布的分布。此外，我们提出了一种调整方法，该方法在经验上可以有效地减轻观察数据中治疗组之间的样本失衡。最后，我们评估了CCN在多个合成和半合成实验中的性能。我们证明，与现有的贝叶斯和深层生成方法相比，CCN学会了改进的分布估计值，以及对各种效用功能的改进决策。

本文介绍了一种创新的贝叶斯机器学习算法，在不完美的顺应性存在下绘制可解释的对异质因果效应的推断（例如，在不规则的分配机制下）。我们通过蒙特卡罗模拟显示，据提出的贝叶斯因果森林具有乐器变量（BCF-IV）方法优于在控制各方误差率的同时发现和估算异质因果效果时量身定制的其他机器学习技术（或 - 在叶子水平时，不那么严格地 - 为假发现率）。 BCF-IV揭示了乐器可变场景中因果效应的异质性，而且，又为政策制定者提供了有针对性政策的相关工具。其实证应用评估了额外资金对学生表演的影响。结果表明，BCF-IV可用于增强学校资助对学生绩效的有效性。

因果关系是理解世界的科学努力的基本组成部分。不幸的是，在心理学和社会科学中，因果关系仍然是禁忌。由于越来越多的建议采用因果方法进行研究的重要性，我们重新制定了心理学研究方法的典型方法，以使不可避免的因果理论与其余的研究渠道协调。我们提出了一个新的过程，该过程始于从因果发现和机器学习的融合中纳入技术的发展，验证和透明的理论形式规范。然后，我们提出将完全指定的理论模型的复杂性降低到与给定目标假设相关的基本子模型中的方法。从这里，我们确定利息量是否可以从数据中估算出来，如果是的，则建议使用半参数机器学习方法来估计因果关系。总体目标是介绍新的研究管道，该管道可以（a）促进与测试因果理论的愿望兼容的科学询问（b）鼓励我们的理论透明代表作为明确的数学对象，（c）将我们的统计模型绑定到我们的统计模型中该理论的特定属性，因此减少了理论到模型间隙通常引起的规范不足问题，以及（d）产生因果关系和可重复性的结果和估计。通过具有现实世界数据的教学示例来证明该过程，我们以摘要和讨论来结论。

预测风险评分越来越多地用于指导复杂环境（尤其是医疗保健）中的临床或其他干预措施。直接更新用于指导干预措施的风险评分会导致风险估计。我们建议使用“保留集”（未接受风险评分引导干预措施的人口子集）进行更新，以防止这种情况。由于保留集中的样本并不能从风险预测中受益，因此其规模必须权衡更新的风险评分的性能，同时最大程度地减少被保留样品的数量。我们证明，这种方法的表现优于简单的替代方案，并且通过定义一般的损失函数描述了可以轻松识别最佳保持尺寸（OHS）的条件。我们引入了OHS估计的参数和半参数算法，并证明了它们在近期对先兆子痫的风险评分上的使用。基于这些结果，我们认为保留集是安全，可行且易于实施的手段，可以安全地更新预测风险得分。

了解特定待遇或政策与许多感兴趣领域有关的影响，从政治经济学，营销到医疗保健。在本文中，我们开发了一种非参数算法，用于在合成控制的背景下检测随着时间的流逝的治疗作用。该方法基于许多算法的反事实预测，而不必假设该算法正确捕获模型。我们介绍了一种推论程序来检测治疗效果，并表明测试程序对于固定，β混合过程渐近有效，而无需对所考虑的一组基础算法施加任何限制。我们讨论了平均治疗效果估计的一致性保证，并为提出的方法提供了遗憾的界限。算法类别可能包括随机森林，套索或任何其他机器学习估计器。数值研究和应用说明了该方法的优势。

在过去二十年中，识别具有不同纵向数据趋势的群体的方法已经成为跨越许多研究领域的兴趣。为了支持研究人员，我们总结了文献关于纵向聚类的指导。此外，我们提供了一种纵向聚类方法，包括基于基团的轨迹建模（GBTM），生长混合模拟（GMM）和纵向K平均值（KML）。该方法在基本级别引入，并列出了强度，限制和模型扩展。在最近数据收集的发展之后，将注意这些方法的适用性赋予密集的纵向数据（ILD）。我们展示了使用R.中可用的包在合成数据集上的应用程序的应用。

科学家经常使用观察时间序列数据来研究从气候变化到民间冲突再到大脑活动的复杂自然过程。但是对这些数据的回归分析通常假定简单的动态。深度学习的最新进展使从语音理解到核物理学再到竞争性游戏的复杂过程模型的表现实现了令人震惊的改进。但是深度学习通常不用于科学分析。在这里，我们通过证明可以使用深度学习，不仅可以模仿，而且可以分析复杂的过程，在保留可解释性的同时提供灵活的功能近似。我们的方法 - 连续时间反向逆转回归神经网络（CDRNN） - 放宽标准简化的假设（例如，线性，平稳性和同质性）对于许多自然系统来说是不可信的，并且可能会严重影响数据的解释。我们评估CDRNNS对人类语言处理，这是一个具有复杂连续动态的领域。我们证明了行为和神经影像数据中预测可能性的显着改善，我们表明CDRNN可以在探索性分析中灵活发现新型模式，在确认分析中对可能的混杂性提供强有力的控制，并打开否则就可以使用这些问题来进行研究，这些问题否则就可以使用这些问题来进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究。观察数据。

决策者需要在采用新的治疗政策之前预测结果的发展，该政策定义了何时以及如何连续地影响结果的治疗序列。通常，预测介入的未来结果轨迹的算法将未来治疗的固定顺序作为输入。这要么忽略了未来治疗对结果之前的结果的依赖性，要么隐含地假设已知治疗政策，因此排除了该政策未知或需要反事实分析的情况。为了应对这些局限性，我们开发了一种用于治疗和结果的联合模型，该模型允许估计处理策略和顺序治疗（OUT COMECTION数据）的影响。它可以回答有关治疗政策干预措施的介入和反事实查询，因为我们使用有关血糖进展的现实数据显示，并在此基础上进行了模拟研究。

非线性动态系统的识别仍然是整个工程的重大挑战。这项工作提出了一种基于贝叶斯过滤的方法，以提取和确定系统中未知的非线性项的贡献，可以将其视为恢复力表面类型方法的替代观点。为了实现这种识别，最初将非线性恢复力的贡献作为高斯过程建模。该高斯过程将转换为状态空间模型，并与系统的线性动态组件结合使用。然后，通过推断过滤和平滑分布，可以提取系统的内部状态和非线性恢复力。在这些状态下，可以构建非线性模型。在模拟案例研究和实验基准数据集中，该方法被证明是有效的。

内核正规化最小二乘（KRLS）是一种流行的方法，用于灵活估算可能在变量之间具有复杂关系的模型。但是，其对许多研究人员的有用性受到限制，原因有两个。首先，现有的方法不灵活，不允许KRL与理论动机的扩展（例如固定效应或非线性结果）结合使用。其次，对于甚至适度尺寸的数据集，估计在计算上是非常强大的。我们的论文通过引入广义KRL（GKRL）来解决这两种问题。我们注意到，可以将KRLS重新构造为层次模型，从而允许轻松推理和模块化模型构建。在计算上，我们还实施随机草图以显着加速估计，同时估计质量的罚款有限。我们证明，GKRL可以在一分钟内进行数万观察到的数据集中。此外，可以迅速估计需要在十二次（例如元学习者）中安装模型的最新技术。

Learning curves provide insight into the dependence of a learner's generalization performance on the training set size. This important tool can be used for model selection, to predict the effect of more training data, and to reduce the computational complexity of model training and hyperparameter tuning. This review recounts the origins of the term, provides a formal definition of the learning curve, and briefly covers basics such as its estimation. Our main contribution is a comprehensive overview of the literature regarding the shape of learning curves. We discuss empirical and theoretical evidence that supports well-behaved curves that often have the shape of a power law or an exponential. We consider the learning curves of Gaussian processes, the complex shapes they can display, and the factors influencing them. We draw specific attention to examples of learning curves that are ill-behaved, showing worse learning performance with more training data. To wrap up, we point out various open problems that warrant deeper empirical and theoretical investigation. All in all, our review underscores that learning curves are surprisingly diverse and no universal model can be identified.