部署的机器学习（ML）模型经常遇到与培训数据不同的新用户数据。因此，估计给定模型在新数据上的性能是朝着可靠的ML应用程序迈出的重要一步。但是，这是非常具有挑战性的，因为数据分布可以以灵活的方式变化，并且我们可能没有新数据上的任何标签，这在监视设置时通常是这种情况。在本文中，我们提出了一种新的分配移位模型，即稀疏关节移位（SJS），该模型考虑了标签和一些特征的关节移位。这统一并概括了几种现有的偏移模型，包括标签移位和稀疏协变量移位，仅考虑边际特征或标签分布位移。我们描述了SJS可识别的数学条件。我们进一步提出了See，这是一个算法框架，以表征SJS下的分布变化，并估计模型在没有任何标签的新数据上的性能。我们在具有各种ML模型的几个现实世界数据集上进行了广泛的实验。在不同的数据集和分配变化中，看到对现有方法的误差改善（最多达到数量级）的显着（最多）。
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We address the problem of unsupervised domain adaptation when the source domain differs from the target domain because of a shift in the distribution of a latent subgroup. When this subgroup confounds all observed data, neither covariate shift nor label shift assumptions apply. We show that the optimal target predictor can be non-parametrically identified with the help of concept and proxy variables available only in the source domain, and unlabeled data from the target. The identification results are constructive, immediately suggesting an algorithm for estimating the optimal predictor in the target. For continuous observations, when this algorithm becomes impractical, we propose a latent variable model specific to the data generation process at hand. We show how the approach degrades as the size of the shift changes, and verify that it outperforms both covariate and label shift adjustment.
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The ability to quickly and accurately identify covariate shift at test time is a critical and often overlooked component of safe machine learning systems deployed in high-risk domains. While methods exist for detecting when predictions should not be made on out-of-distribution test examples, identifying distributional level differences between training and test time can help determine when a model should be removed from the deployment setting and retrained. In this work, we define harmful covariate shift (HCS) as a change in distribution that may weaken the generalization of a predictive model. To detect HCS, we use the discordance between an ensemble of classifiers trained to agree on training data and disagree on test data. We derive a loss function for training this ensemble and show that the disagreement rate and entropy represent powerful discriminative statistics for HCS. Empirically, we demonstrate the ability of our method to detect harmful covariate shift with statistical certainty on a variety of high-dimensional datasets. Across numerous domains and modalities, we show state-of-the-art performance compared to existing methods, particularly when the number of observed test samples is small.
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Rates of missing data often depend on record-keeping policies and thus may change across times and locations, even when the underlying features are comparatively stable. In this paper, we introduce the problem of Domain Adaptation under Missingness Shift (DAMS). Here, (labeled) source data and (unlabeled) target data would be exchangeable but for different missing data mechanisms. We show that when missing data indicators are available, DAMS can reduce to covariate shift. Focusing on the setting where missing data indicators are absent, we establish the following theoretical results for underreporting completely at random: (i) covariate shift is violated (adaptation is required); (ii) the optimal source predictor can perform worse on the target domain than a constant one; (iii) the optimal target predictor can be identified, even when the missingness rates themselves are not; and (iv) for linear models, a simple analytic adjustment yields consistent estimates of the optimal target parameters. In experiments on synthetic and semi-synthetic data, we demonstrate the promise of our methods when assumptions hold. Finally, we discuss a rich family of future extensions.
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所有著名的机器学习算法构成了受监督和半监督的学习工作，只有在一个共同的假设下：培训和测试数据遵循相同的分布。当分布变化时，大多数统计模型必须从新收集的数据中重建，对于某些应用程序，这些数据可能是昂贵或无法获得的。因此，有必要开发方法，以减少在相关领域中可用的数据并在相似领域中进一步使用这些数据，从而减少需求和努力获得新的标签样品。这引起了一个新的机器学习框架，称为转移学习：一种受人类在跨任务中推断知识以更有效学习的知识能力的学习环境。尽管有大量不同的转移学习方案，但本调查的主要目的是在特定的，可以说是最受欢迎的转移学习中最受欢迎的次级领域，概述最先进的理论结果，称为域适应。在此子场中，假定数据分布在整个培训和测试数据中发生变化，而学习任务保持不变。我们提供了与域适应性问题有关的现有结果的首次最新描述，该结果涵盖了基于不同统计学习框架的学习界限。
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使用历史观察数据的政策学习是发现广泛应用程序的重要问题。示例包括选择优惠，价格，要发送给客户的广告，以及选择要开出患者的药物。但是，现有的文献取决于这样一个关键假设，即将在未来部署学习策略的未来环境与生成数据的过去环境相同 - 这个假设通常是错误或太粗糙的近似值。在本文中，我们提高了这一假设，并旨在通过不完整的观察数据来学习一项稳健的策略。我们首先提出了一个政策评估程序，该程序使我们能够评估政策在最坏情况下的转变下的表现。然后，我们为此建议的政策评估计划建立了中心限制定理类型保证。利用这种评估方案，我们进一步提出了一种新颖的学习算法，该算法能够学习一项对对抗性扰动和未知协变量转移的策略，并根据统一收敛理论的性能保证进行了绩效保证。最后，我们从经验上测试了合成数据集中提出的算法的有效性，并证明它提供了使用标准策略学习算法缺失的鲁棒性。我们通过在现实世界投票数据集的背景下提供了我们方法的全面应用来结束本文。
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非政策评估（OPE）方法是评估高风险领域（例如医疗保健）中的政策的关键工具，在这些领域，直接部署通常是不可行的，不道德的或昂贵的。当期望部署环境发生变化（即数据集偏移）时，对于OPE方法，在此类更改中对策略进行强大的评估非常重要。现有的方法考虑对可以任意改变环境的任何可观察到的任何可观察到的属性的大量转变。这通常会导致对公用事业的高度悲观估计，从而使可能对部署有用的政策无效。在这项工作中，我们通过研究领域知识如何帮助提供对政策公用事业的更现实的估计来解决上述问题。我们利用人类的投入，在环境的哪些方面可能会发生变化，并适应OPE方法仅考虑这些方面的转变。具体而言，我们提出了一个新颖的框架，可靠的OPE（绳索），该框架认为基于用户输入的数据中的协变量子集，并估算了这些变化下最坏情况的效用。然后，我们为OPE开发了对OPE的计算有效算法，这些算法对上述强盗和马尔可夫决策过程的上述变化很强。我们还理论上分析了这些算法的样品复杂性。从医疗领域进行的合成和现实世界数据集进行了广泛的实验表明，我们的方法不仅可以捕获现实的数据集准确地转移，而且还会导致较少的悲观政策评估。
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监督学习的关键假设是培训和测试数据遵循相同的概率分布。然而，这种基本假设在实践中并不总是满足，例如，由于不断变化的环境，样本选择偏差，隐私问题或高标签成本。转移学习（TL）放松这种假设，并允许我们在分销班次下学习。通常依赖于重要性加权的经典TL方法 - 基于根据重要性（即测试过度训练密度比率）的训练损失培训预测器。然而，由于现实世界机器学习任务变得越来越复杂，高维和动态，探讨了新的新方法，以应对这些挑战最近。在本文中，在介绍基于重要性加权的TL基础之后，我们根据关节和动态重要预测估计审查最近的进步。此外，我们介绍一种因果机制转移方法，该方法包含T1中的因果结构。最后，我们讨论了TL研究的未来观点。
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Faced with distribution shift between training and test set, we wish to detect and quantify the shift, and to correct our classifiers without test set labels. Motivated by medical diagnosis, where diseases (targets), cause symptoms (observations), we focus on label shift, where the label marginal p(y) changes but the conditional p(x|y) does not. We propose Black Box Shift Estimation (BBSE) to estimate the test distribution p(y). BBSE exploits arbitrary black box predictors to reduce dimensionality prior to shift correction. While better predictors give tighter estimates, BBSE works even when predictors are biased, inaccurate, or uncalibrated, so long as their confusion matrices are invertible. We prove BBSE's consistency, bound its error, and introduce a statistical test that uses BBSE to detect shift. We also leverage BBSE to correct classifiers. Experiments demonstrate accurate estimates and improved prediction, even on high-dimensional datasets of natural images.
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我们开发了一种新的原则性算法，用于估计培训数据点对深度学习模型的行为的贡献，例如它做出的特定预测。我们的算法估计了AME，该数量量衡量了将数据点添加到训练数据子集中的预期（平均）边际效应，并从给定的分布中采样。当从均匀分布中采样子集时，AME将还原为众所周知的Shapley值。我们的方法受因果推断和随机实验的启发：我们采样了训练数据的不同子集以训练多个子模型，并评估每个子模型的行为。然后，我们使用套索回归来基于子集组成共同估计每个数据点的AME。在稀疏假设（$ k \ ll n $数据点具有较大的AME）下，我们的估计器仅需要$ O（k \ log n）$随机的子模型培训，从而改善了最佳先前的Shapley值估算器。
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预测一组结果 - 而不是独特的结果 - 是统计学习中不确定性定量的有前途的解决方案。尽管有关于构建具有统计保证的预测集的丰富文献，但适应未知的协变量转变（实践中普遍存在的问题）还是一个严重的未解决的挑战。在本文中，我们表明具有有限样本覆盖范围保证的预测集是非信息性的，并提出了一种新型的无灵活分配方法PredSet-1Step，以有效地构建了在未知协方差转移下具有渐近覆盖范围保证的预测集。我们正式表明我们的方法是\ textIt {渐近上可能是近似正确}，对大型样本的置信度有很好的覆盖误差。我们说明，在南非队列研究中，它在许多实验和有关HIV风险预测的数据集中实现了名义覆盖范围。我们的理论取决于基于一般渐近线性估计器的WALD置信区间覆盖范围的融合率的新结合。
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由于在数据稀缺的设置中，交叉验证的性能不佳，我们提出了一个新颖的估计器，以估计数据驱动的优化策略的样本外部性能。我们的方法利用优化问题的灵敏度分析来估计梯度关于数据中噪声量的最佳客观值，并利用估计的梯度将策略的样本中的表现为依据。与交叉验证技术不同，我们的方法避免了为测试集牺牲数据，在训练和因此非常适合数据稀缺的设置时使用所有数据。我们证明了我们估计量的偏见和方差范围，这些问题与不确定的线性目标优化问题，但已知的，可能是非凸的，可行的区域。对于更专业的优化问题，从某种意义上说，可行区域“弱耦合”，我们证明结果更强。具体而言，我们在估算器的错误上提供明确的高概率界限，该估计器在策略类别上均匀地保持，并取决于问题的维度和策略类的复杂性。我们的边界表明，在轻度条件下，随着优化问题的尺寸的增长，我们的估计器的误差也会消失，即使可用数据的量仍然很小且恒定。说不同的是，我们证明我们的估计量在小型数据中的大规模政权中表现良好。最后，我们通过数值将我们提出的方法与最先进的方法进行比较，通过使用真实数据调度紧急医疗响应服务的案例研究。我们的方法提供了更准确的样本外部性能估计，并学习了表现更好的政策。
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转移学习中最关键的问题之一是域适应的任务，其中目标是将在一个或多个源域中培训的算法应用于不同（但相关）的目标域。本文在域内存在协变量转变时，涉及域适应。解决此问题的现有因果推断方法的主要限制之一是可扩展性。为了克服这种困难，我们提出了一种避免穷举搜索的算法，并识别基于Markov毯子发现的源和目标域的不变因果特征。 SCTL不需要先前了解因果结构，干预措施的类型或干预目标。有一个与SCTL相关的内在位置，使其实现实际上可扩展且稳健，因为本地因果发现增加了计算独立性测试的力量，并使域适配的任务进行了计算地进行了易行的。我们通过低维和高维设置中的合成和实际数据集显示SCTL的可扩展性和稳健性。
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尽管现代的大规模数据集通常由异质亚群（例如，多个人口统计组或多个文本语料库）组成 - 最小化平均损失的标准实践并不能保证所有亚人群中均匀的低损失。我们提出了一个凸面程序，该过程控制给定尺寸的所有亚群中最差的表现。我们的程序包括有限样本（非参数）收敛的保证，可以保证最坏的亚群。从经验上讲，我们观察到词汇相似性，葡萄酒质量和累犯预测任务，我们最糟糕的程序学习了对不看到看不见的亚人群的模型。
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数据驱动决策的经验风险最小化方法假设我们可以从与我们想要在下面部署的条件相同的条件下绘制的数据中学习决策规则。但是，在许多设置中，我们可能会担心我们的培训样本是有偏见的，并且某些组（以可观察或无法观察到的属性为特征）可能相对于一般人群而言是不足或代表过多的；在这种情况下，对培训集的经验风险最小化可能无法产生在部署时表现良好的规则。我们基于分配强大的优化和灵敏度分析的概念，我们提出了一种学习决策规则的方法，该方法将在测试分布家族的家庭中最小化最糟糕的案例风险，其有条件的结果分布$ y $ y $ y $ y $ x $有所不同有条件的训练分布最多是一个恒定因素，并且相对于训练数据的协变量分布，其协变量分布绝对是连续的。我们应用Rockafellar和Uryasev的结果表明，此问题等同于增强的凸风险最小化问题。我们提供了使用筛子的方法来学习健壮模型的统计保证，并提出了一种深度学习算法，其损失函数捕获了我们的稳健性目标。我们从经验上验证了我们在模拟中提出的方法和使用MIMIC-III数据集的案例研究。
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多标签分类任务（例如OCR和多对象识别）是不断发展的机器学习作为服务行业的主要重点。尽管有许多多标签预测API可用，但由于这些API的价格和性能的异质性，用户可以决定用于自己的数据和预算的API挑战。最近的工作显示了如何从单标签预测API中进行选择。但是，先前方法的计算复杂性在标签数量中是指数的，因此不适合像OCR这样的设置。在这项工作中，我们提出了FrugalMCT，这是一个原则性的框架，可自适应地选择以在线方式使用不同数据的API，同时尊重用户的预算。 API选择问题是作为整数线性程序施放的，我们显示的具有特殊的结构，我们利用具有强大性能保证的高效在线API选择器。我们使用Google，Microsoft，Amazon，IBM，Tencent和其他提供商的ML API进行系统实验，以包括多标签图像分类，场景文本识别和命名实体识别。在各种任务中，FrugalMCT在匹配最佳单个API的准确性的同时，可以实现超过90％的成本降低，或者在匹配最佳API成本的同时，高达8％的精度。
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强大的机器学习模型的开发中的一个重要障碍是协变量的转变，当训练和测试集的输入分布时发生的分配换档形式在条件标签分布保持不变时发生。尽管现实世界应用的协变量转变普遍存在，但在现代机器学习背景下的理论理解仍然缺乏。在这项工作中，我们检查协变量的随机特征回归的精确高尺度渐近性，并在该设置中提出了限制测试误差，偏差和方差的精确表征。我们的结果激发了一种自然部分秩序，通过协变速转移，提供足够的条件来确定何时何时损害（甚至有助于）测试性能。我们发现，过度分辨率模型表现出增强的协会转变的鲁棒性，为这种有趣现象提供了第一个理论解释之一。此外，我们的分析揭示了分销和分发外概率性能之间的精确线性关系，为这一令人惊讶的近期实证观察提供了解释。
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Discriminative learning methods for classification perform well when training and test data are drawn from the same distribution. Often, however, we have plentiful labeled training data from a source domain but wish to learn a classifier which performs well on a target domain with a different distribution and little or no labeled training data. In this work we investigate two questions. First, under what conditions can a classifier trained from source data be expected to perform well on target data? Second, given a small amount of labeled target data, how should we combine it during training with the large amount of labeled source data to achieve the lowest target error at test time?
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在监督学习中，培训和测试数据集通常从不同的分布中采样。因此需要域改性技术。当域才因特征边际分布而不同时，协变速适配会产生良好的泛化性能。 Covariate换档适应通常使用重要性加权实施，这可能根据常见智慧而失败，由于较小的有效样本尺寸（ESS）。以前的研究认为，这种情况在高维设置中更常见。然而，考虑到协变转变适应的背景，在监督学习中，如何在监督学习方面与效率有效，维度和模型性能/泛化是多么难以置信。因此，主要挑战是呈现连接这些点的统一理论。因此，在本文中，我们专注于构建连接ESS，数据维度和泛化在协变速改编的背景下的统一视图。此外，我们还证明了减少量度或特征选择如何增加ESS，并认为我们的结果在协会变化适应之前支持维度减少，作为一种良好的做法。
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最近，提出了不变的风险最小化（IRM）作为解决分布外（OOD）概括的有前途的解决方案。但是，目前尚不清楚何时应优先于广泛的经验风险最小化（ERM）框架。在这项工作中，我们从样本复杂性的角度分析了这两个框架，从而迈出了一个坚定的一步，以回答这个重要问题。我们发现，根据数据生成机制的类型，这两种方法可能具有有限样本和渐近行为。例如，在协变量偏移设置中，我们看到两种方法不仅达到了相同的渐近解决方案，而且具有相似的有限样本行为，没有明显的赢家。但是，对于其他分布变化，例如涉及混杂因素或反毒物变量的变化，两种方法到达不同的渐近解决方案，在这些方法中，保证IRM可以接近有限样品状态中所需的OOD溶液，而ERM甚至偶然地偏向于渐近。我们进一步研究了不同因素（环境的数量，模型的复杂性和IRM惩罚权重）如何影响IRM的样本复杂性与其距离OOD溶液的距离有关
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