随机临床试验消除混淆，但施加严格的排除标准，限制招聘到人口的子集。观察数据集更具包容性，但遭受混淆 - 通常在实践中提供对治疗效果的过度乐观估计。因此，我们假设真正的治疗效果在没有治疗效果和观察估计之间的某个地方，或者在其凸壳之间。这种假设允许我们通过使用称为最优凸壳（OCH）的算法同时分析观察和试验数据来推断从更广泛的人群到更广泛的人群的结果。 Och表示根据条件密度的条件期望或凸壳（也称为混合物）的凸壳的治疗效果。该算法首先使用观察数据来学习组件期望或密度，然后使用试验数据来学习线性混合系数，以便近似真实的治疗效果;理论重要地解释了为什么这种线性组合应该保持。 OCH估计治疗效果在术语方面的期望和密度具有最先进的准确性。

个性化的药物寻求识别特定患者的治疗的因果效果，而不是大的临床群体。大多数研究人员通过回归对患者协变量的随机临床试验（RCT）的结果来估计这种个性化的治疗效果。然而，结果的实现价值可能会避免有条件的期望。因此，我们介绍了一种名为Dirac Delta回归（DDR）的方法，该方法估计来自RCT数据的整个条件密度，以便在所有可能的结果值中可视化概率。 DDR将结果转换为一组渐近Dirac Delta分布，然后使用非线性回归估计密度。即使没有存在人口水平效应，该算法也可以识别患者特异性结果的显着差异。此外，即使在小型样本制度中，DDR在条件密度估计中占据了最先进的算法。 RPS://github.com/ericstrobl/ddr提供了R包。

估算随机实验的因果效应是临床研究的核心。降低这些分析中的统计不确定性是统计学家的重要目标。注册管理机构，事先审判和健康记录构成了对患者的历史数据汇编，其在可能是可利用至此的患者下的历史数据。但是，大多数历史借贷方法通过牺牲严格的I型错误率控制来达到方差的减少。在这里，我们建议使用利用线性协变调整的历史数据来提高试验分析的效率而不会产生偏见。具体而言，我们在历史数据上培训预后模型，然后使用线性回归估计治疗效果，同时调整试验受试者预测结果（其预后分数）。我们证明，在某些条件下，这种预后调整程序在大类估算仪中获得了最低差异。当不符合这些条件时，预后的协变量调整仍然比原始协变量调整更有效，并且效率的增益与上述预后模型的预测准确性的衡量标准成正比，与原始协变量的线性关系的预测准确性。我们展示了使用模拟的方法和阿尔茨海默病的临床试验的再分析，并观察平均平均误差的有意义减少和估计方差。最后，我们提供了一种简化的渐近方差公式，使得能够计算这些收益的功率计算。在使用预后模型的预后模型中，可以实现10％和30％的样品尺寸减少。

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。

在制定政策指南时，随机对照试验（RCT）代表了黄金标准。但是，RCT通常是狭窄的，并且缺乏更广泛的感兴趣人群的数据。这些人群中的因果效应通常是使用观察数据集估算的，这可能会遭受未观察到的混杂和选择偏见。考虑到一组观察估计（例如，来自多项研究），我们提出了一个试图拒绝偏见的观察性估计值的元偏值。我们使用验证效应，可以从RCT和观察数据中推断出的因果效应。在拒绝未通过此测试的估计器之后，我们对RCT中未观察到的亚组的外推性效应产生了保守的置信区间。假设至少一个观察估计量在验证和外推效果方面是渐近正常且一致的，我们为我们算法输出的间隔的覆盖率概率提供了保证。为了促进在跨数据集的因果效应运输的设置中，我们给出的条件下，即使使用灵活的机器学习方法用于估计滋扰参数，群体平均治疗效应的双重稳定估计值也是渐近的正常。我们说明了方法在半合成和现实世界数据集上的特性，并表明它与标准的荟萃分析技术相比。

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.

大型观察数据越来越多地提供健康，经济和社会科学等学科，研究人员对因果问题而不是预测感兴趣。在本文中，从旨在调查参与学校膳食计划对健康指标的实证研究，研究了使用非参数回归的方法估算异质治疗效果的问题。首先，我们介绍了与观察或非完全随机数据进行因果推断相关的设置和相关的问题，以及如何在统计学习工具的帮助下解决这些问题。然后，我们审查并制定现有最先进的框架的统一分类，允许通过非参数回归模型来估算单个治疗效果。在介绍模型选择问题的简要概述后，我们说明了一些关于三种不同模拟研究的方法的性能。我们通过展示一些关于学校膳食计划数据的实证分析的一些方法的使用来结束。

因果推断能够估计治疗效果（即，治疗结果的因果效果），使各个领域的决策受益。本研究中的一个基本挑战是观察数据的治疗偏见。为了提高对因果推断的观察研究的有效性，基于代表的方法作为最先进的方法表明了治疗效果估计的卓越性能。基于大多数基于表示的方法假设所有观察到的协变量都是预处理的（即，不受治疗影响的影响），并学习这些观察到的协变量的平衡表示，以估算治疗效果。不幸的是，这种假设往往在实践中往往是太严格的要求，因为一些协调因子是通过对治疗的干预进行改变（即，后治疗）来改变。相比之下，从不变的协变量中学到的平衡表示因此偏置治疗效果估计。

通常使用参数模型进行经验领域的参数估计，并且此类模型很容易促进统计推断。不幸的是，它们不太可能足够灵活，无法充分建模现实现象，并可能产生偏见的估计。相反，非参数方法是灵活的，但不容易促进统计推断，并且仍然可能表现出残留的偏见。我们探索了影响功能（IFS）的潜力（a）改善初始估计器而无需更多数据（b）增加模型的鲁棒性和（c）促进统计推断。我们首先对IFS进行广泛的介绍，并提出了一种神经网络方法“ Multinet”，该方法使用单个体系结构寻求合奏的多样性。我们还介绍了我们称为“ Multistep”的IF更新步骤的变体，并对不同方法提供了全面的评估。发现这些改进是依赖数据集的，这表明所使用的方法与数据生成过程的性质之间存在相互作用。我们的实验强调了从业人员需要通过不同的估计器组合进行多次分析来检查其发现的一致性。我们还表明，可以改善“自由”的现有神经网络，而无需更多数据，而无需重新训练。

有许多可用于选择优先考虑治疗的可用方法，包括基于治疗效果估计，风险评分和手工制作规则的遵循申请。我们将秩加权平均治疗效应（RATY）指标作为一种简单常见的指标系列，用于比较水平竞争范围的治疗优先级规则。对于如何获得优先级规则，率是不可知的，并且仅根据他们在识别受益于治疗中受益的单位的方式进行评估。我们定义了一系列速率估算器，并证明了一个中央限位定理，可以在各种随机和观测研究环境中实现渐近精确的推断。我们为使用自主置信区间的使用提供了理由，以及用于测试关于治疗效果中的异质性的假设的框架，与优先级规则相关。我们对速率的定义嵌套了许多现有度量，包括QINI系数，以及我们的分析直接产生了这些指标的推论方法。我们展示了我们从个性化医学和营销的示例中的方法。在医疗环境中，使用来自Sprint和Accor-BP随机对照试验的数据，我们发现没有明显的证据证明异质治疗效果。另一方面，在大量的营销审判中，我们在一些数字广告活动的治疗效果中发现了具有的强大证据，并证明了如何使用率如何比较优先考虑估计风险的目标规则与估计治疗效益优先考虑的目标规则。

加权方法是偏离因果效应的估计的常见工具。虽然越来越多的看似不同的方法，但其中许多可以折叠成一个统一的制度：因果最佳运输。这种新方法通过最小化治疗和对照组之间的最佳运输距离，或者更一般地，在源和目标群体之间直接针对分布平衡。我们的方法是半富集的有效和无模型，但也可以包含研究人员希望平衡的协变量的时刻或任何其他重要的功能。我们发现因果最佳运输优于竞争对手的方法，当错过倾向分数和结果模型时，表明它是一种稳健的替代普通加权方法。最后，我们证明了我们在外部对照研究中的效用检查米索前列醇与催产素治疗后骨髓出血的影响。

传统的因果推理方法利用观察性研究数据来估计潜在治疗的观察到的差异和未观察到的结果，称为条件平均治疗效果（CATE）。然而，凯特就对应于仅第一刻的比较，因此可能不足以反映治疗效果的全部情况。作为替代方案，估计全部潜在结果分布可以提供更多的见解。但是，估计治疗效果的现有方法潜在的结果分布通常对这些分布施加限制性或简单的假设。在这里，我们提出了合作因果网络（CCN），这是一种新颖的方法，它通过学习全部潜在结果分布而超出了CATE的估计。通过CCN框架估算结果分布不需要对基础数据生成过程的限制性假设。此外，CCN促进了每种可能处理的效用的估计，并允许通过效用函数进行特定的特定变异。 CCN不仅将结果估计扩展到传统的风险差异之外，而且还可以通过定义灵活的比较来实现更全面的决策过程。根据因果文献中通常做出的假设，我们表明CCN学习了渐近捕获真正潜在结果分布的分布。此外，我们提出了一种调整方法，该方法在经验上可以有效地减轻观察数据中治疗组之间的样本失衡。最后，我们评估了CCN在多个合成和半合成实验中的性能。我们证明，与现有的贝叶斯和深层生成方法相比，CCN学会了改进的分布估计值，以及对各种效用功能的改进决策。

尽管近期因因果推断领域的进展，迄今为止没有关于从观察数据的收集治疗效应估算的方法。对临床实践的结果是，当缺乏随机试验的结果时，没有指导在真实情景中似乎有效的指导。本文提出了一种务实的方法，以获得从观察性研究的治疗效果的初步但稳健地估算，为前线临床医生提供对其治疗策略的信心程度。我们的研究设计适用于一个公开问题，估算Covid-19密集护理患者的拳击机动的治疗效果。

There is intense interest in applying machine learning to problems of causal inference in fields such as healthcare, economics and education. In particular, individual-level causal inference has important applications such as precision medicine. We give a new theoretical analysis and family of algorithms for predicting individual treatment effect (ITE) from observational data, under the assumption known as strong ignorability. The algorithms learn a "balanced" representation such that the induced treated and control distributions look similar. We give a novel, simple and intuitive generalization-error bound showing that the expected ITE estimation error of a representation is bounded by a sum of the standard generalization-error of that representation and the distance between the treated and control distributions induced by the representation. We use Integral Probability Metrics to measure distances between distributions, deriving explicit bounds for the Wasserstein and Maximum Mean Discrepancy (MMD) distances. Experiments on real and simulated data show the new algorithms match or outperform the state-of-the-art.

为目标疾病开发新药物是一项耗时且昂贵的任务，药物重新利用已成为药物开发领域的流行话题。随着许多健康索赔数据可用，已经对数据进行了许多研究。现实世界的数据嘈杂，稀疏，并且具有许多混杂因素。此外，许多研究表明，药物的作用在人群中是异质的。近年来已经出现了许多有关估计异构治疗效果（HTE）（HTE）的高级机器学习模型，并已应用于计量经济学和机器学习社区。这些研究将医学和药物开发视为主要应用领域，但是从HTE方法论到药物开发的转化研究有限。我们旨在将HTE方法介绍到医疗保健领域，并在通过基准实验进行医疗保健行政索赔数据进行基准实验时提供可行性考虑。另外，我们希望使用基准实验来展示如何将模型应用于医疗保健研究时如何解释和评估模型。通过将最近的HTE技术引入生物医学信息学社区的广泛读者，我们希望通过机器学习促进广泛采用因果推断。我们还希望提供HTE具有个性化药物有效性的可行性。

我们研究了在反倾向得分加权的框架内使用连续处理的观察性因果推断的问题。为了获得稳定的权重，我们设计了一种基于熵平衡的新算法，该算法可以学习权重，以直接使用端到端优化最大化因果推理精度。在优化过程中，这些权重自动调整为使用的特定数据集和正在使用的因果推理算法。我们提供了证明我们方法一致性的理论分析。使用合成和现实世界数据，我们表明我们的算法估计因果效应比基线熵平衡更准确。

Causal learning is the key to obtaining stable predictions and answering \textit{what if} problems in decision-makings. In causal learning, it is central to seek methods to estimate the average treatment effect (ATE) from observational data. The Double/Debiased Machine Learning (DML) is one of the prevalent methods to estimate ATE. However, the DML estimators can suffer from an \textit{error-compounding issue} and even give extreme estimates when the propensity scores are close to 0 or 1. Previous studies have overcome this issue through some empirical tricks such as propensity score trimming, yet none of the existing works solves it from a theoretical standpoint. In this paper, we propose a \textit{Robust Causal Learning (RCL)} method to offset the deficiencies of DML estimators. Theoretically, the RCL estimators i) satisfy the (higher-order) orthogonal condition and are as \textit{consistent and doubly robust} as the DML estimators, and ii) get rid of the error-compounding issue. Empirically, the comprehensive experiments show that: i) the RCL estimators give more stable estimations of the causal parameters than DML; ii) the RCL estimators outperform traditional estimators and their variants when applying different machine learning models on both simulation and benchmark datasets, and a mimic consumer credit dataset generated by WGAN.

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.

即使在医学和公共政策等高风险设置中，数据驱动的决策也起着重要作用。从观察到的数据中学习最佳策略需要仔细制定效用函数，该功能的期望值在人群中最大化。尽管研究人员通常使用仅依赖于观察到的结果的实用程序，但在许多情况下，决策者的效用函数的特征是所有动作下的潜在结果集合。例如，``不伤害''的希波克拉底原则意味着，在未经治疗的情况下生存的患者导致死亡的成本大于预防救生治疗的成本。我们考虑使用此形式的不对称效用功能的最佳政策学习。我们表明，不对称公用事业会导致无法识别的社会福利功能，因此我们首先部分识别它。利用统计决策理论，我们通过最大程度地减少相对于替代政策的最大遗憾来得出最小的决策规则。我们表明，可以通过解决中间分类问题从观察到的数据中学习最小值决策规则。我们还确定，此过程的有限样本遗憾是由这些中间分类器的错误分类率界定的。我们将此概念框架和方法应用于有关是否使用肺高血压患者是否使用正确的心脏导管插入术的决定。

观察数据中估算单个治疗效果（ITE）在许多领域，例如个性化医学等领域。但是，实际上，治疗分配通常被未观察到的变量混淆，因此引入了偏见。消除偏见的一种补救措施是使用仪器变量（IVS）。此类环境在医学中广泛存在（例如，将合规性用作二进制IV的试验）。在本文中，我们提出了一个新颖的，可靠的机器学习框架，称为MRIV，用于使用二进制IV估算ITES，从而产生无偏见的ITE估计器。与以前的二进制IV的工作不同，我们的框架通过伪结果回归直接估算了ITE。 （1）我们提供了一个理论分析，我们表明我们的框架产生了多重稳定的收敛速率：即使几个滋扰估计器的收敛缓慢，我们的ITE估计器也会达到快速收敛。 （2）我们进一步表明，我们的框架渐近地优于最先进的插件IV方法，以进行ITE估计。 （3）我们以理论结果为基础，并提出了一种使用二进制IVS的ITE估算的定制的，称为MRIV-NET的深度神经网络结构。在各种计算实验中，我们从经验上证明了我们的MRIV-NET实现最先进的性能。据我们所知，我们的MRIV是第一个机器学习框架，用于估算显示出倍增功能的二进制IV设置。