A significant body of research in the data sciences considers unfair discrimination against social categories such as race or gender that could occur or be amplified as a result of algorithmic decisions. Simultaneously, real-world disparities continue to exist, even before algorithmic decisions are made. In this work, we draw on insights from the social sciences brought into the realm of causal modeling and constrained optimization, and develop a novel algorithmic framework for tackling pre-existing real-world disparities. The purpose of our framework, which we call the "impact remediation framework," is to measure real-world disparities and discover the optimal intervention policies that could help improve equity or access to opportunity for those who are underserved with respect to an outcome of interest. We develop a disaggregated approach to tackling pre-existing disparities that relaxes the typical set of assumptions required for the use of social categories in structural causal models. Our approach flexibly incorporates counterfactuals and is compatible with various ontological assumptions about the nature of social categories. We demonstrate impact remediation with a hypothetical case study and compare our disaggregated approach to an existing state-of-the-art approach, comparing its structure and resulting policy recommendations. In contrast to most work on optimal policy learning, we explore disparity reduction itself as an objective, explicitly focusing the power of algorithms on reducing inequality.

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。

Counterfactuals are often described as 'retrospective,' focusing on hypothetical alternatives to a realized past. This description relates to an often implicit assumption about the structure and stability of exogenous variables in the system being modeled -- an assumption that is reasonable in many settings where counterfactuals are used. In this work, we consider cases where we might reasonably make a different assumption about exogenous variables, namely, that the exogenous noise terms of each unit do exhibit some unit-specific structure and/or stability. This leads us to a different use of counterfactuals -- a 'forward-looking' rather than 'retrospective' counterfactual. We introduce "counterfactual treatment choice," a type of treatment choice problem that motivates using forward-looking counterfactuals. We then explore how mismatches between interventional versus forward-looking counterfactual approaches to treatment choice, consistent with different assumptions about exogenous noise, can lead to counterintuitive results.

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。

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),

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）。

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。

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。

本文提出了秤，这是一个一般框架，将公平原则转化为基于约束马尔可夫决策过程（CMDP）的共同表示。借助因果语言，我们的框架可以在决策过程（程序公平）以及决策（结果公平）产生的结果上构成限制。具体而言，我们表明可以将众所周知的公平原理编码为实用程序组件，非毒性组件或鳞片中心中的因果分量。我们使用涉及模拟医疗方案和现实世界中Compas数据集的一组案例研究来说明量表。实验表明，我们的框架产生了公平的政策，这些政策在单步和顺序决策方案中体现了替代公平原则。

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。

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。

业务分析（BA）的广泛采用带来了财务收益和提高效率。但是，当BA以公正的影响为决定时，这些进步同时引起了人们对法律和道德挑战的不断增加。作为对这些关注的回应，对算法公平性的新兴研究涉及算法输出，这些算法可能会导致不同的结果或其他形式的对人群亚组的不公正现象，尤其是那些在历史上被边缘化的人。公平性是根据法律合规，社会责任和效用是相关的；如果不充分和系统地解决，不公平的BA系统可能会导致社会危害，也可能威胁到组织自己的生存，其竞争力和整体绩效。本文提供了有关算法公平的前瞻性，注重BA的评论。我们首先回顾有关偏见来源和措施的最新研究以及偏见缓解算法。然后，我们对公用事业关系的详细讨论进行了详细的讨论，强调经常假设这两种构造之间经常是错误的或短视的。最后，我们通过确定企业学者解决有效和负责任的BA的关键的有影响力的公开挑战的机会来绘制前进的道路。

Recommender systems can strongly influence which information we see online, e.g., on social media, and thus impact our beliefs, decisions, and actions. At the same time, these systems can create substantial business value for different stakeholders. Given the growing potential impact of such AI-based systems on individuals, organizations, and society, questions of fairness have gained increased attention in recent years. However, research on fairness in recommender systems is still a developing area. In this survey, we first review the fundamental concepts and notions of fairness that were put forward in the area in the recent past. Afterward, through a review of more than 150 scholarly publications, we present an overview of how research in this field is currently operationalized, e.g., in terms of general research methodology, fairness measures, and algorithmic approaches. Overall, our analysis of recent works points to specific research gaps. In particular, we find that in many research works in computer science, very abstract problem operationalizations are prevalent, and questions of the underlying normative claims and what represents a fair recommendation in the context of a given application are often not discussed in depth. These observations call for more interdisciplinary research to address fairness in recommendation in a more comprehensive and impactful manner.

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。

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.

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。

机器学习（ML）技术在教育方面越来越普遍，从预测学生辍学，到协助大学入学以及促进MOOC的兴起。考虑到这些新颖用途的快速增长，迫切需要调查ML技术如何支持长期以来的教育原则和目标。在这项工作中，我们阐明了这一复杂的景观绘制，以对教育专家的访谈进行定性见解。这些访谈包括对过去十年中著名应用ML会议上发表的ML教育（ML4ED）论文的深入评估。我们的中心研究目标是批判性地研究这些论文的陈述或暗示教育和社会目标如何与他们解决的ML问题保持一致。也就是说，技术问题的提出，目标，方法和解释结果与手头的教育问题保持一致。我们发现，在ML生命周期的两个部分中存在跨学科的差距，并且尤其突出：从教育目标和将预测转换为干预措施的ML问题的提出。我们使用这些见解来提出扩展的ML生命周期，这也可能适用于在其他领域中使用ML。我们的工作加入了越来越多的跨教育和ML研究的荟萃分析研究，以及对ML社会影响的批判性分析。具体而言，它填补了对机器学习的主要技术理解与与学生合作和政策合作的教育研究人员的观点之间的差距。

随着人工智能的兴起，算法已经变得更好地从培训数据中学习基本模式，包括基于性别，种族等基于性别的社会偏见。部署此类算法对招聘，医疗保健，执法等领域的部署已经提高了严重的领域。对机器学习算法中的公平，问责制，信任和解释性的关注。为了减轻这个问题，我们提出了D-Bias，这是一种视觉交互式工具，它体现了人类在循环AI方法，以审核和减轻表格数据集的社交偏见。它使用图形因果模型来表示数据集中不同特征之间的因果关系，并作为注入域知识的媒介。用户可以通过识别因果网络中的不公平因果关系并使用一系列公平指标来检测对群体（例如女性或亚组）的偏见。此后，用户可以通过在不公平的因果边缘作用来减轻偏见。对于每种相互作用，例如弱化/删除有偏见的因果边缘，系统使用一种新方法来模拟基于当前因果模型的新（cla依）数据集。用户可以在视觉上评估其相互作用对不同公平指标，公用事业指标，数据失真和基础数据分布的影响。一旦满足，他们就可以下载依据的数据集并将其用于任何下游应用程序以进行更公正的预测。我们通过对3个数据集进行实验以及一项正式的用户研究来评估D偏差。我们发现，与不同公平指标的基线偏差方法相比，D偏差有助于显着降低偏差，同时几乎没有数据失真和效用较小的损失。此外，我们基于人类的方法极大地超过了关于信任，解释性和问责制的自动方法。

分类，一种重大研究的数据驱动机器学习任务，驱动越来越多的预测系统，涉及批准的人类决策，如贷款批准和犯罪风险评估。然而，分类器经常展示歧视性行为，特别是当呈现有偏置数据时。因此，分类公平已经成为一个高优先级的研究区。数据管理研究显示与数据和算法公平有关的主题的增加和兴趣，包括公平分类的主题。公平分类的跨学科努力，具有最大存在的机器学习研究，导致大量的公平概念和尚未系统地评估和比较的广泛方法。在本文中，我们对13个公平分类方法和额外变种的广泛分析，超越，公平，公平，效率，可扩展性，对数据误差的鲁棒性，对潜在的ML模型，数据效率和使用各种指标的稳定性的敏感性和稳定性现实世界数据集。我们的分析突出了对不同指标的影响的新颖见解和高级方法特征对不同方面的性能方面。我们还讨论了选择适合不同实际设置的方法的一般原则，并确定以数据管理为中心的解决方案可能产生最大影响的区域。

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。