做出公正的决定对于在社交环境中实施机器学习算法至关重要。在这项工作中，我们考虑了反事实公平的著名定义[Kusner等，Neurips，2017]。首先，我们表明一种满足反事实公平的算法也满足人口统计学的偏见，这是一个更简单的公平限制。同样，我们表明所有满足人口统计学奇偶校验的算法都可以进行微不足道的修改以满足反事实公平。总之，我们的结果表明，反事实公平基本上等同于人口统计学，这对不断增长的反事实公平工作具有重要意义。然后，我们从经验上验证了我们的理论发现，分析了三种现有的算法，以针对三个简单的基准分析反事实公平。我们发现，在几个数据集上，两种简单的基准算法在公平，准确性和效率方面都优于所有三种现有算法。我们的分析使我们实现了一个具体的公平目标：保留受保护群体中个人的顺序。我们认为，围绕个人在受保护群体中的秩序的透明度使公平的算法更加值得信赖。根据设计，两个简单的基准算法满足了这个目标，而现有的反事实公平算法则不能。

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),

We propose a criterion for discrimination against a specified sensitive attribute in supervised learning, where the goal is to predict some target based on available features. Assuming data about the predictor, target, and membership in the protected group are available, we show how to optimally adjust any learned predictor so as to remove discrimination according to our definition. Our framework also improves incentives by shifting the cost of poor classification from disadvantaged groups to the decision maker, who can respond by improving the classification accuracy.In line with other studies, our notion is oblivious: it depends only on the joint statistics of the predictor, the target and the protected attribute, but not on interpretation of individual features. We study the inherent limits of defining and identifying biases based on such oblivious measures, outlining what can and cannot be inferred from different oblivious tests.We illustrate our notion using a case study of FICO credit scores.

近年来，解决机器学习公平性（ML）和自动决策的问题引起了处理人工智能的科学社区的大量关注。已经提出了ML中的公平定义的一种不同的定义，认为不同概念是影响人口中个人的“公平决定”的不同概念。这些概念之间的精确差异，含义和“正交性”尚未在文献中完全分析。在这项工作中，我们试图在这个解释中汲取一些订单。

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。

算法公平吸引了机器学习社区越来越多的关注。文献中提出了各种定义，但是它们之间的差异和联系并未清楚地解决。在本文中，我们回顾并反思了机器学习文献中先前提出的各种公平概念，并试图与道德和政治哲学，尤其是正义理论的论点建立联系。我们还从动态的角度考虑了公平的询问，并进一步考虑了当前预测和决策引起的长期影响。鉴于特征公平性的差异，我们提出了一个流程图，该流程图包括对数据生成过程，预测结果和诱导的影响的不同类型的公平询问的隐式假设和预期结果。本文展示了与任务相匹配的重要性（人们希望执行哪种公平性）和实现预期目的的手段（公平分析的范围是什么，什么是适当的分析计划）。

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。

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。

公平性是确保机器学习（ML）预测系统不会歧视特定个人或整个子人群（尤其是少数族裔）的重要要求。鉴于观察公平概念的固有主观性，文献中已经引入了几种公平概念。本文是一项调查，说明了通过大量示例和场景之间的公平概念之间的微妙之处。此外，与文献中的其他调查不同，它解决了以下问题：哪种公平概念最适合给定的现实世界情景，为什么？我们试图回答这个问题的尝试包括（1）确定手头现实世界情景的一组与公平相关的特征，（2）分析每个公平概念的行为，然后（3）适合这两个元素以推荐每个特定设置中最合适的公平概念。结果总结在决策图中可以由从业者和政策制定者使用，以导航相对较大的ML目录。

机器学习模型被批评反映了培训数据中的不公平偏见。我们通过直接引入公平的学习算法来解决这一目标，而不是通过介绍公平的学习算法来解决公平的合成数据，使任何下游学习者都是公平的。从不公平数据生成公平的合成数据 - 同时对潜在的数据生成过程（DGP）留下真实 - 是非微不足道的。在本文中，我们引入了Decaf：用于表格数据的GaN的公平合成数据发生器。通过Decaf，我们将DGP显式作为发电机的输入层中的结构因果模型嵌入，允许在其因果父母上重建每个变量。此过程启用推理时间扩大，其中可以策略性地删除偏置边缘以满足用户定义的公平要求。 Decaf框架是多功能的，与几个公平的定义兼容。在我们的实验中，我们表明Decaf成功地消除了不希望的偏见和 - 与现有方法相比 - 能够产生高质量的合成数据。此外，我们为发电机的收敛和下游模型的公平提供理论担保。

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。

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.

许多研究都致力于学习公平代表的问题。但是，它们并未明确表示潜在表示之间的关系。在许多实际应用中，潜在表示之间可能存在因果关系。此外，大多数公平的表示学习方法都集中在群体级别的公平性上，并基于相关性，忽略了数据基础的因果关系。在这项工作中，我们从理论上证明，使用结构化表示可以使下游预测模型实现反事实公平，然后我们提出了反事实公平性变异自动编码器（CF-VAE）以获得有关领域知识的结构化表示。实验结果表明，所提出的方法比基准公平方法获得了更好的公平性和准确性性能。

自几十年前以来，已经证明了机器学习评估贷款申请人信誉的实用性。但是，自动决策可能会导致对群体或个人的不同治疗方法，可能导致歧视。本文基准了12种最大的偏见缓解方法，讨论其绩效，该绩效基于5个不同的公平指标，获得的准确性以及为金融机构提供的潜在利润。我们的发现表明，在确保准确性和利润的同时，实现公平性方面的困难。此外，它突出了一些表现最好和最差的人，并有助于弥合实验机学习及其工业应用之间的差距。

机器学习模型何时预测个人的未来，什么时候背诵个人的模式？在这项工作中，我们提出了这两种预测途径的区别，这些预测途径得到了理论，经验和规范性论点的支持。我们提案的中心是一个简单有效的统计测试家族，称为向后基线，它们证明了是否以及在何种程度上叙述了过去。我们的统计理论提供了解释向后基线的指导，建立了不同基准和熟悉的统计概念之间的等价。具体而言，我们从只有背景变量和系统的预测来审核预测系统作为黑匣子进行审核，以审核预测系统。从经验上讲，我们对纵向面板调查得出的不同预测任务的框架进行了评估，这表明将向后基线纳入机器学习实践的便捷性和有效性。

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。

实际上，决策算法通常经过表现出各种偏见的数据培训。决策者通常旨在根据假定或期望公正的基础真相目标做出决策，即同样分布在社会显着的群体中。在许多实际设置中，无法直接观察到地面真相，相反，我们必须依靠数据中的地面真相（即偏置标签）的有偏见的代理度量。此外，通常会选择性地标记数据，即，即使是有偏见的标签，也仅对获得积极决策的数据的一小部分观察到。为了克服标签和选择偏见，最近的工作提议学习随机性，通过i）在每个时间步长的在线培训新政策，ii）执行公平性作为绩效的限制。但是，现有方法仅使用标记的数据，忽略了大量未标记的数据，因此在不同时间学到的决策策略的不稳定性和差异很大。在本文中，我们提出了一种基于实用公平决策的各种自动编码器的新方法。我们的方法学习了一个无偏的数据表示，利用标记和未标记的数据，并使用表示形式在在线过程中学习策略。使用合成数据，我们从经验上验证我们的方法根据差异较低的地面真相会收敛到最佳（公平）策略。在现实世界实验中，我们进一步表明，我们的培训方法不仅提供了更稳定的学习过程，而且还产生了比以前的方法更高的公平性和效用的政策。

在许多机器学习应用中已经显示了歧视，该应用程序要求在与道德相关的领域（例如面部识别，医学诊断和刑事判决）中部署之前进行足够的公平测试。现有的公平测试方法主要设计用于识别个人歧视，即对个人的歧视。然而，作为另一种广泛的歧视类型，对群体歧视（大多数隐藏）的测试却少得多。为了解决差距，在这项工作中，我们提出了测试，一种可解释的测试方法，它系统地识别和措施隐藏了一个神经网络的隐藏（我们称为“微妙”群体歧视}，该神经网络的特征是敏感特征的条件。一个神经网络，TestsgDFirst自动生成可解释的规则集，该规则集将输入空间分为两组，以暴露模型的组歧视。鉴于，Testsgdalso提供了基于对输入空间进行采样的估计组公平得分，以衡量确定的SIXTEL组歧视程度，这可以确保准确地达到错误的限制。我们评估了在包括结构化数据和文本数据在内的流行数据集中训练的测试多个神经网络模型。实验结果表明，测试有效地有效地识别和测量了如此微妙的群体歧视，以至于该测试效率以前从未透露过。矿石，我们表明，测试的测试结果指南生成新样品的测试结果，以通过可忽略不计的准确性下降来减轻这种歧视。

测量黑匣子预测算法中变量重要性的最流行方法是利用合成输入，这些输入结合了来自多个受试者的预测变量。这些输入可能是不可能的，身体上不可能的，甚至在逻辑上是不可能的。结果，对这种情况的预测可以基于数据，这与对黑匣子的训练非常不同。我们认为，当解释使用此类值时，用户不能相信预测算法的决定的解释。取而代之的是，我们主张一种称为同类沙普利的方法，该方法基于经济游戏理论，与大多数其他游戏理论方法不同，它仅使用实际观察到的数据来量化可变重要性。莎普利队的同伙通过缩小判断的主题的缩小，被认为与一个或多个功能上的目标主题相似。如果使用它来缩小队列对队列平均值有很大的不同，则功能很重要。我们在算法公平问题上进行了说明，其中必须将重要性归因于未经训练模型的保护变量。对于每个主题和每个预测变量，我们可以计算该预测因子对受试者的预测响应或对其实际响应的重要性。这些值可以汇总，例如在所有黑色受试者上，我们提出了一个贝叶斯引导程序来量化个人和骨料莎普利值的不确定性。

多核电是一个理想的公平标准，该标准限制了数据中灵活定义的组之间的校准误差，同时保持整体校准。但是，当结果概率与群体成员资格相关时，基本速率较低的组的校准误差比基本速率较高的组显示出更高的校准误差。结果，决策者仍然有可能学习对特定群体的信任或不信任模型预测。为了减轻这一点，我们提出了比例的数字净化，该标准限制了组之间和预测箱之间的校准误差百分比。我们证明，满足比例的多中心范围界定了模型的数字以及它的差异校准，这是一个受充分性的公平概念启发的更强的公平标准。我们为后处理风险预测模型提供了有效的算法，以进行比例的多核电并进行经验评估。我们进行仿真研究，并研究PMC-POSTPROCESSSPOCESS在急诊科患者入院预测中的现实应用。我们观察到，比例的数字启动是控制模型在分类性能方面几乎没有成本的校准公平度的同时衡量量标准的有希望的标准。