尽管机器学习分类器越来越多地用于高风险决策（例如癌症诊断，刑事起诉决策），但他们表现出了针对代表性不足的群体的偏见。公平性的标准定义需要访问感兴趣的敏感属性（例如性别和种族），这通常不可用。在这项工作中，我们证明了在这些敏感属性未知的情况下，人们仍然可以通过使用从敏感属性预测因子得出的代理敏感属性来可靠地估计并最终控制公平性。具体来说，我们首先表明，只有对完整数据分布的了解，就可以使用敏感属性预测因子获得分类器真实公平度量的上和下限。其次，我们证明了如何通过控制代理敏感属性的公平性来证明人们如何证明对真实敏感属性的公平性。我们的结果在比以前的作品明显温和的假设下得出。我们在一系列合成和真实数据集上说明了结果。

近年来，机器学习算法在多种高风险决策应用程序中变得无处不在。机器学习算法从数据中学习模式的无与伦比的能力也使它们能够融合嵌入的偏差。然后，一个有偏见的模型可以做出不成比例地损害社会中某些群体的决策 - 例如，他们获得金融服务的机会。对这个问题的认识引起了公平ML领域，该领域的重点是研究，衡量和缓解算法预测的不公平性，相对于一组受保护的群体（例如种族或性别）。但是，算法不公平的根本原因仍然难以捉摸，研究人员在指责ML算法或训练的数据之间进行了划分。在这项工作中，我们坚持认为，算法不公平源于数据中模型与偏见之间的相互作用，而不是源于其中任何一个的孤立贡献。为此，我们提出了一种分类法来表征数据偏差，并研究了一系列关于公平盲目的ML算法在不同数据偏见设置下表现出的公平性准确性权衡的假设。在我们的现实帐户开放欺诈用例中，我们发现每个设置都需要特定的权衡，从而影响了预期价值和差异的公平性 - 后者通常没有注意到。此外，我们展示了算法在准确性和公平性方面如何根据影响数据的偏差进行比较。最后，我们注意到，在特定的数据偏见条件下，简单的预处理干预措施可以成功平衡小组错误率，而在更复杂的设置中相同的技术失败。

越来越多地部署算法和模型来为人们提供决定，不可避免地会影响他们的生活。结果，负责开发这些模型的人必须仔细评估他们对不同人群的影响并偏爱群体公平，也就是说，确保由敏感人口属性（例如种族或性别）确定的群体不会受到不公正的对待。为了实现这一目标，这些人口统计学属性的可用性（意识）是评估这些模型影响的人的基本基础。不幸的是，收集和存储这些属性通常与行业实践以及有关数据最小化和隐私的立法冲突。因此，即使是从开发它们的公司内部，也很难衡量训练有素的模型的群体公平性。在这项工作中，我们通过使用量化技术来解决在敏感属性不认识的情况下衡量群体公平性的问题，这是一项与直接提供群体级别的患病率估算（而不是个人级别的类标签）有关的监督学习任务。我们表明，量化方法特别适合解决未通行问题的公平性，因为它们是可行的不可避免的分配变化，同时将（理想的）目标取消了（不可避免的）允许（不良）的副作用的（理想的）目标个人敏感属性的推断。更详细地说，我们表明，在不认识下的公平性可以作为量化问题，并通过量化文献中的可靠方法解决。我们表明，这些方法在五个实验方案中测量人口统计学的先前方法都优于以前的方法，这对应于使分类器公平性估计不认识的重要挑战。

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。

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。

随着机器学习在高风险决策问题中的不断应用，对某些社会群体的人们的潜在算法偏见对个人和我们的整个社会造成了负面影响。在现实世界中，许多此类问题涉及积极和未标记的数据，例如医学诊断，刑事风险评估和推荐系统。例如，在医学诊断中，仅记录诊断性疾病（阳性），而其他疾病则不会（未标记）。尽管在（半）监督和无监督的环境中进行了大量的现有工作，但公平问题在上述正面和未标记的学习（PUL）上下文中基本上却大大不足。在本文中，为了减轻这种张力，我们提出了一种名为Fairpul的公平意识的PUL方法。特别是，对于来自两个人群的个人的二元分类，我们旨在在两个人群中达到相似的真实正利率和假期的误报。基于对PUL的最佳公平分类器的分析，我们设计了模型不合时宜的后处理框架，利用了积极的示例和未标记的示例。从分类错误和公平度量标准方面，我们的框架在统计上是一致的。关于合成和现实世界数据集的实验表明，我们的框架在PUL和公平分类方面的表现都优于最先进。

在影响金融，社会和政治福祉的域名中使用算法决策制定的系统已经为这些决策制定制度的需求产生了“公平”，在一些公平的公平概念下。这种需求反过来又激发了一个大型工作，专注于开发公平学习算法，然后用于代替其传统的对应物。对这些公平算法的大多数分析从假设受到算法决策影响的人数被表示为不可变特征向量。然而，战略代理人可能具有操纵该观察到的特征向量的能力和激励，以获得更有利的结果。我们探讨了战略代理行为可能在公平分类器和派生条件下的影响，因为这种行为导致公平分类者比其相同的公平衡量标准的传统同行变得不那么公平。这些条件与公平分类器对原始非管理数据不公平的方式有关：公平分类机构通过比传统对应物变得更加选择的选择性来解决不公平的分类机，这是当代理人是战略性时变得不如同行的那些。我们进一步证明了公平分类器的选择性增加，并因此丧失了公平性，在进行优势集团在决策边界（以及）决策边界附近的区域传统分类器。最后，我们在实验中观察，使用多个数据集和学习方法，这种公平逆转是常见的，并且我们对公平逆转条件的理论表征确实存在于大多数情况下。

我们研究公平的机器学习（ML）设置，其中“上游”模型开发人员的任务是生产公平的ML模型，该模型将被几个类似但独特的“下游”用户使用。这种设置引入了新的挑战，这些挑战因许多现有的公平干预措施而尚未解决，这与现有的批评相呼应，即当前方法并非在现实世界公平的ML用例的多元化需求中广泛适用。为此，我们通过采用基于分配的公平分类视图来解决向上/下流设置。具体而言，我们引入了一种新的公平定义，分布奇偶校验，该定义衡量了跨受保护组的结果分布的差异，并提出了一种后处理方法，以使用最佳运输技术来最大程度地减少此措施。我们证明我们的方法能够为所有下游用户，跨各种公平定义创造更公平的成果，并在推理时间内在未标记的数据上工作。我们通过与几种类似方法和四个基准任务进行比较，通过比较实验验证了这一主张。最终，我们认为可以通过开发特定的干预措施来产生更公平的分类结果。

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。

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。

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.

联合学习允许许多设备在机器学习模型的培训中进行协作。与传统的机器学习一样，越来越关注的是，接受联合学习的模型可能会对不同的人群组表现出不同的表现。现有的解决方案来衡量和确保跨小组的平等模型绩效需要访问有关小组成员的信息，但是此访问并不总是可用或可取的，尤其是在联邦学习的隐私愿望下。我们研究了衡量此类性能差异的可行性，同时保护用户组成员资格的隐私以及联合模型在用户数据上的性能。保护两者对于隐私至关重要，因为它们可能是相关的，因此学习一个可能会揭示另一个。另一方面，从公用事业的角度来看，保留隐私的数据应保持相关性，以确保能够对性能差异进行准确的测量。我们通过开发当地差异化的私人机制来实现这两个目标，从而保留小组成员和模型绩效之间的相关性。为了分析机制的有效性，我们在对给定隐私预算进行优化时估算差异时的错误，并在合成数据上验证这些界限。我们的结果表明，对于参与的客户数量的实际数量，错误迅速减少，这表明，与先前的工作相反，保护受保护属性的隐私不一定与确定联合模型性能的差异相抵触。

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。

在本文中，我们回答了插入标签噪声（较少的信息标签）时的问题，而是返回更准确和公平的模型。我们主要通过三次观察启发：1）与降低标签噪声速率相比，增加噪声速率易于实现; 2）增加某类实例的标签噪声以平衡噪声速率（增加到平衡）导致更容易的学习问题; 3）增加对平衡改善了对标签偏差的公平保障。在本文中，我们首先通过增加一组实例的标签噪声率W.r.t.来量化推出的权衡。损失标签信息和降低的学习困难。我们在改善泛化能量或公平保证方面，我们分析了这样的增加是有益的。然后，我们介绍一种方法来正确插入标签噪声，以便与嘈杂的标签学习学习的任务，无论是没有还是公平约束。我们面临的主要技术挑战是由于我们不知道哪些数据实例遭受更高的噪音，而且我们不会有地面真理标签来验证任何可能的假设。我们提出了一种检测方法，可以向我们通知我们，在不使用地面真理标签的情况下，哪一组标签可能会遭受更高的噪音。我们正式建立了提出的解决方案的有效性，并通过广泛的实验证明了它。

我们在禁用的对手存在下研究公平分类，允许获得$ \ eta $，选择培训样本的任意$ \ eta $ -flaction，并任意扰乱受保护的属性。由于战略误报，恶意演员或归责的错误，受保护属性可能不正确的设定。和现有的方法，使随机或独立假设对错误可能不满足其在这种对抗环境中的保证。我们的主要贡献是在这种对抗的环境中学习公平分类器的优化框架，这些普遍存在的准确性和公平性提供了可证明的保证。我们的框架适用于多个和非二进制保护属性，专为大类线性分数公平度量设计，并且还可以处理除了受保护的属性之外的扰动。我们证明了我们框架的近密性，对自然假设类别的保证：没有算法可以具有明显更好的准确性，并且任何具有更好公平性的算法必须具有较低的准确性。凭经验，我们评估了我们对统计率的统计税务统计税率为一个对手的统计税率产生的分类机。

这项研究研究了在美国国税局（IRS）为税收审计选择的系统中，算法公平性问题。尽管算法公平的领域主要围绕着像个人一样对待的概念发展，但我们却探索了垂直平等的概念 - 适当地考虑到个人之间的相关差异 - 这在许多公共政策环境中都是公平性的核心组成部分。应用于美国个人所得税体系的设计，垂直权益与不同收入水平的纳税人之间的税收和执法负担的公平分配有关。通过与财政部和国税局的独特合作，我们使用匿名个人纳税人微型数据，风险选择的审计以及2010 - 14年度的随机审计来研究税务管理的垂直平等。特别是，我们评估了现代机器学习方法选择审核的使用如何影响垂直权益。首先，我们展示了更灵活的机器学习（分类）方法（而不是简单的模型）如何将审计负担从高收入纳税人转移到中等收入纳税人。其次，我们表明，尽管现有的算法公平技术可以减轻跨收入的某些差异，但它们可能会造成巨大的绩效成本。第三，我们表明，是否将低报告的风险视为分类或回归问题的选择是高度的。从分类转变为回归模型，以预测不足的审计转变会大大向高收入个人转移，同时增加收入。最后，我们探讨了差异审计成本在塑造审计分配中的作用。我们表明，对回报的狭窄关注会破坏垂直权益。我们的结果对整个公共部门的算法工具的设计具有影响。

基于机器学习的决策支持系统的利用率增加强调了导致所有利益相关者准确和公平的预测的必要性。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，可以在训练期间提高神经网络模型的公平性。我们介绍了一系列公平性，增强了我们与传统的二进制交叉熵基准损耗一起使用的正规化组件。这些损失函数基于偏置奇偶校验分数（BPS），一个分数有助于使用单个数字量化模型中的偏差。在目前的工作中，我们调查这些正则化组件对偏见的行为和效果。我们在累犯预测任务以及基于人口普查的成人收入数据集的上下文中部署它们。结果表明，对于公平损失功能的良好选择，我们可以减少训练有素的模型的偏置，而不会降低精度，即使在不平衡数据集中也是如此。

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。

基于梯度提升决策树（GBDT）的机器学习（ML）算法在从医疗保健到金融的各种任务关键应用程序中的许多表格数据任务上仍然受到青睐。但是，GBDT算法并不能免于偏见和歧视性决策的风险。尽管GBDT的受欢迎程度和公平ML研究的迅速发展，但现有的经过处理的公平ML方法要么不适用GBDT，因此在大量的火车时间内开销，或者由于高级失衡的问题而不足。我们提出FairgBM，这是一个在公平限制下培训GBDT的学习框架，与无约束的LightGBM相比，对预测性能几乎没有影响。由于常见的公平指标是不可差异的，因此我们使用平滑的凸错误率代理采用``代理 - 拉格朗日''公式来实现基于梯度的优化。此外，与相关工作相比，我们的开源实施在训练时间中显示了一个数量级的加速顺序，这是一个关键方面，旨在促进现实世界实践者对FairgBM的广泛采用。

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。