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。

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。

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。

解决公平问题对于安全使用机器学习算法来支持对人们的生活产生关键影响的决策，例如雇用工作，儿童虐待，疾病诊断，贷款授予等。过去十年，例如统计奇偶校验和均衡的赔率。然而，最新的公平概念是基于因果关系的，反映了现在广泛接受的想法，即使用因果关系对于适当解决公平问题是必要的。本文研究了基于因果关系的公平概念的详尽清单，并研究了其在现实情况下的适用性。由于大多数基于因果关系的公平概念都是根据不可观察的数量（例如干预措施和反事实）来定义的，因此它们在实践中的部署需要使用观察数据来计算或估计这些数量。本文提供了有关从观察数据（包括可识别性（Pearl的SCM框架））和估计（潜在结果框架）中推断出因果量的不同方法的全面报告。该调查论文的主要贡献是（1）指南，旨在在特定的现实情况下帮助选择合适的公平概念，以及（2）根据Pearl的因果关系阶梯的公平概念的排名，表明它很难部署。实践中的每个概念。

机器学习算法通常会对少数族裔和代表性不足的子人群产生偏见的结果/预测。因此，公平是基于机器学习技术的大规模应用的重要要求。最常用的公平概念（例如统计平等，均衡的几率，预测奇偶等）是观察性的，并且依赖于变量之间的仅相关性。在统计异常（例如辛普森或伯克森的悖论）的情况下，这些概念无法识别偏差。基于因果关系的公平概念（例如反事实公平，无歧视歧视等）对此类异常免疫，因此更可靠地评估公平性。但是，基于因果关系的公平概念的问题是，它们是根据数量（例如因果，反事实和特定于路径特定效应）定义的，这些概念并非总是可衡量的。这被称为可识别性问题，是因果推理文献中大量工作的主题。本文是对机器学习公平性特别相关的主要可识别性结果的汇编。使用大量示例和因果图说明了结果。公平研究人员，从业人员和政策制定者正在考虑使用基于因果关系的公平概念，并说明主要可识别性结果，这本文特别感兴趣。

数据科学任务可以被视为了解数据的感觉或测试关于它的假设。从数据推断的结论可以极大地指导我们做出信息做出决定。大数据使我们能够与机器学习结合执行无数的预测任务，例如鉴定患有某种疾病的高风险患者并采取可预防措施。然而，医疗保健从业者不仅仅是仅仅预测的内容 - 它们也对输入特征和临床结果之间的原因关系感兴趣。了解这些关系将有助于医生治疗患者并有效降低风险。通常通过随机对照试验鉴定因果关系。当科学家和研究人员转向观察研究并试图吸引推论时，这种试验通常是不可行的。然而，观察性研究也可能受到选择和/或混淆偏差的影响，这可能导致错误的因果结论。在本章中，我们将尝试突出传统机器学习和统计方法中可能出现的一些缺点，以分析观察数据，特别是在医疗保健数据分析域中。我们将讨论因果化推理和方法，以发现医疗领域的观测研究原因。此外，我们将展示因果推断在解决某些普通机器学习问题等中的应用，例如缺少数据和模型可运输性。最后，我们将讨论将加强学习与因果关系相结合的可能性，作为反击偏见的一种方式。

This work shows how to leverage causal inference to understand the behavior of complex learning systems interacting with their environment and predict the consequences of changes to the system. Such predictions allow both humans and algorithms to select the changes that would have improved the system performance. This work is illustrated by experiments on the ad placement system associated with the Bing search engine.

研究了与隐藏变量有关的非循环图（DAG）相关的因果模型中因果效应的识别理论。然而，由于估计它们输出的识别功能的复杂性，因此未耗尽相应的算法。在这项工作中，我们弥合了识别和估算涉及单一治疗和单一结果的人口水平因果效应之间的差距。我们派生了基于功能的估计，在大类隐藏变量DAG中表现出对所识别的效果的双重稳健性，其中治疗满足简单的图形标准;该类包括模型，产生调整和前门功能作为特殊情况。我们还提供必要的和充分条件，其中隐藏变量DAG的统计模型是非分子饱和的，并且意味着对观察到的数据分布没有平等约束。此外，我们推导了一类重要的隐藏变量DAG，这意味着观察到观察到的数据分布等同于完全观察到的DAG等同于（最高的相等约束）。在这些DAG类中，我们推出了实现兴趣目标的半导体效率界限的估计估计值，该估计是治疗满足我们的图形标准的感兴趣的目标。最后，我们提供了一种完整的识别算法，可直接产生基于权重的估计策略，以了解隐藏可变因果模型中的任何可识别效果。

发现新药是寻求并证明因果关系。作为一种新兴方法利用人类的知识和创造力，数据和机器智能，因果推论具有减少认知偏见并改善药物发现决策的希望。尽管它已经在整个价值链中应用了，但因子推理的概念和实践对许多从业者来说仍然晦涩难懂。本文提供了有关因果推理的非技术介绍，审查了其最新应用，并讨论了在药物发现和开发中采用因果语言的机会和挑战。

尽管在治疗和结果之间存在未衡量的混杂因素，但前门标准可用于识别和计算因果关系。但是，关键假设 - （i）存在充分介导治疗对结果影响的变量（或一组变量）的存在，（ii）同时并不遭受类似的混淆问题的困扰 - outcome对 - 通常被认为是难以置信的。本文探讨了这些假设的可检验性。我们表明，在涉及辅助变量的轻度条件下，可以通过广义平等约束也可以测试前门模型中编码的假设（以及简单的扩展）。我们基于此观察结果提出了两个合适性测试，并评估我们对真实和合成数据的提议的疗效。我们还将理论和经验比较与仪器可变方法处理未衡量的混杂。

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.

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。

科学研究的基本目标是了解因果关系。然而，尽管因果关系在生活和社会科学中的重要作用，但在自然语言处理（NLP）中并不具有相同的重要性，而自然语言处理（NLP）传统上更加重视预测任务。这种区别开始逐渐消失，随着因果推理和语言处理的融合，跨学科研究的新兴领域。尽管如此，关于NLP因果关系的研究仍然散布在没有统一的定义，基准数据集的情况下，并清楚地表达了将因果推论应用于文本领域的挑战和机遇，并具有其独特的属性。在这项调查中，我们巩固了整个学术领域的研究，并将其置于更广泛的NLP景观中。我们介绍了用文本估算因果效应的统计挑战，其中包含文本用作结果，治疗或解决混杂问题的设置。此外，我们探讨了因果推理的潜在用途，以提高NLP模型的鲁棒性，公平性和解释性。因此，我们提供了NLP社区因果推断的统一概述。

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。

Machine learning can impact people with legal or ethical consequences when it is used to automate decisions in areas such as insurance, lending, hiring, and predictive policing. In many of these scenarios, previous decisions have been made that are unfairly biased against certain subpopulations, for example those of a particular race, gender, or sexual orientation. Since this past data may be biased, machine learning predictors must account for this to avoid perpetuating or creating discriminatory practices. In this paper, we develop a framework for modeling fairness using tools from causal inference. Our definition of counterfactual fairness captures the intuition that a decision is fair towards an individual if it is the same in (a) the actual world and (b) a counterfactual world where the individual belonged to a different demographic group. We demonstrate our framework on a real-world problem of fair prediction of success in law school. * Equal contribution. This work was done while JL was a Research Fellow at the Alan Turing Institute. 2 https://obamawhitehouse.archives.gov/blog/2016/05/04/big-risks-big-opportunities-intersection-big-dataand-civil-rights 31st Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 2017),

对性别或种族偏见等偏见的研究是社会和行为科学中的重要话题。但是，文献中并不总是清楚地定义偏见的概念。偏见的定义通常是模棱两可的，或者根本不提供定义。要精确研究偏见，重要的是要有明确的偏见概念。我们建议将偏见定义为不合理的直接因果效应。我们建议将差异密切相关的概念定义为包括偏见的直接或间接因果效应。我们提出的定义可用于以更严格和系统的方式研究偏见和差异。我们将对偏见和差异的定义与人工智能文献中引入的各种公平定义进行了比较。我们还在两个案例研究中说明了我们的定义，重点是警察枪击案中的科学和种族偏见。我们提出的定义旨在更好地欣赏偏见和差异研究的因果关系。希望这也会导致人们对此类研究的政策含义有了深刻的了解。

因果推理在人类如何理解世界并在日常生活中做出决策中具有必不可少的作用。虽然20美元的$ Century Science是因为使因果的主张过于强大且无法实现，但第21美元的$ Century是由因果关系的数学化和引入非确定性原因概念的因果关系的重返标志的。 \ cite {illari2011look}。除了其流行病学，政治和社会科学方面的常见用例外，因果关系对于在法律和日常意义上评估自动决定的公平性至关重要。我们提供了为什么因果关系对于公平评估特别重要的论点和例子。特别是，我们指出了非因果预测的社会影响以及依赖因果主张的法律反歧视过程。最后，我们讨论了在实际情况以及可能的解决方案中应用因果关系的挑战和局限性。

In this review, we discuss approaches for learning causal structure from data, also called causal discovery. In particular, we focus on approaches for learning directed acyclic graphs (DAGs) and various generalizations which allow for some variables to be unobserved in the available data. We devote special attention to two fundamental combinatorial aspects of causal structure learning. First, we discuss the structure of the search space over causal graphs. Second, we discuss the structure of equivalence classes over causal graphs, i.e., sets of graphs which represent what can be learned from observational data alone, and how these equivalence classes can be refined by adding interventional data.

保证案件旨在为其最高主张的真理提供合理的信心，这通常涉及安全或保障。那么一个自然的问题是，案件提供了“多少”信心？我们认为，置信度不能简化为单个属性或测量。取而代之的是，我们建议它应该基于以三种不同观点的属性为基础：正面，消极和残留疑问。积极的观点考虑了该案件的证据和总体论点结合起来的程度，以表明其主张的信念是正当的。我们为理由设置了一个高标准，要求它是不可行的。对此的主要积极度量是健全性，它将论点解释为逻辑证明。对证据的信心可以概率地表达，我们使用确认措施来确保证据的“权重”跨越了一定的阈值。此外，可以通过使用概率逻辑的参数步骤从证据中汇总概率，以产生我们所谓的索赔概率估值。负面观点记录了对案件的怀疑和挑战，通常表示为叛逆者及其探索和解决。保证开发商必须防止确认偏见，并应在制定案件时大力探索潜在的叛逆者，并应记录下来及其解决方案，以避免返工并帮助审阅者。残留疑问：世界不确定，因此并非所有潜在的叛逆者都可以解决。我们探索风险，可能认为它们是可以接受或不可避免的。但是，至关重要的是，这些判断是有意识的判断，并且在保证案例中记录下来。本报告详细介绍了这些观点，并指示了我们的保证2.0的原型工具集如何协助他们的评估。