我们提出了一种学习在某些协变量反事实变化下不变的预测因子的方法。当预测目标受到不应影响预测因子输出的协变量影响时，此方法很有用。例如，对象识别模型可能会受到对象本身的位置，方向或比例的影响。我们解决了训练预测因素的问题，这些预测因素明确反对反对这种协变量的变化。我们提出了一个基于条件内核均值嵌入的模型不合稳定项，以在训练过程中实现反事实的不变性。我们证明了我们的方法的健全性，可以处理混合的分类和连续多变量属性。关于合成和现实世界数据的经验结果证明了我们方法在各种环境中的功效。

We introduce the Conditional Independence Regression CovariancE (CIRCE), a measure of conditional independence for multivariate continuous-valued variables. CIRCE applies as a regularizer in settings where we wish to learn neural features $\varphi(X)$ of data $X$ to estimate a target $Y$, while being conditionally independent of a distractor $Z$ given $Y$. Both $Z$ and $Y$ are assumed to be continuous-valued but relatively low dimensional, whereas $X$ and its features may be complex and high dimensional. Relevant settings include domain-invariant learning, fairness, and causal learning. The procedure requires just a single ridge regression from $Y$ to kernelized features of $Z$, which can be done in advance. It is then only necessary to enforce independence of $\varphi(X)$ from residuals of this regression, which is possible with attractive estimation properties and consistency guarantees. By contrast, earlier measures of conditional feature dependence require multiple regressions for each step of feature learning, resulting in more severe bias and variance, and greater computational cost. When sufficiently rich features are used, we establish that CIRCE is zero if and only if $\varphi(X) \perp \!\!\! \perp Z \mid Y$. In experiments, we show superior performance to previous methods on challenging benchmarks, including learning conditionally invariant image features.

我们提出了基于内核Ridge回归的估计估算师，用于非参数结构功能（也称为剂量响应曲线）和半甲酰胺处理效果。治疗和协变量可以是离散的或连续的，低，高或无限的尺寸。与其他机器学习范例不同，降低了具有闭合形式解决方案的内核脊回归组合的因果估计和推理，这些ridge回归的组合，并通过矩阵操作轻松计算。这种计算简单允许我们在两个方向上扩展框架：从意味着增加和分布反事实结果;从完整人口参数到群体和替代人口的参数。对于结构函数，我们证明了具有有限样本速率的均匀一致性。对于治疗效果，我们通过新的双光谱鲁棒性属性证明$ \ sqrt {n} $一致性，高斯近似和半甲效率。我们对美国职能培训计划进行仿真和估计平均，异构和增量结构职能。

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。

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),

负面对照是在存在未衡量混杂的情况下学习治疗与结果之间因果关系的策略。但是，如果有两个辅助变量可用：阴性对照治疗（对实际结果没有影响），并且可以确定治疗效果，并且可以识别出负面对照的结果（不受实际治疗的影响）。这些辅助变量也可以看作是一组传统控制变量的代理，并且与仪器变量相似。我提出了一种基于内核脊回归的算法系列，用于学习非参数治疗效果，并具有阴性对照。例子包括剂量反应曲线，具有分布转移的剂量反应曲线以及异质治疗效果。数据可能是离散的或连续的，并且低，高或无限的尺寸。我证明一致性均匀，并提供有限的收敛速率。我使用宾夕法尼亚州1989年至1991年之间在宾夕法尼亚州的单身人士出生的数据集对婴儿的出生体重进行了吸烟的剂量反应曲线，以调整未观察到的混杂因素。

也称为（非参数）结构方程模型（SEMS）的结构因果模型（SCM）被广泛用于因果建模目的。特别是，也称为递归SEM的无循环SCMS，形成了一个研究的SCM的良好的子类，概括了因果贝叶斯网络来允许潜在混淆。在本文中，我们调查了更多普通环境中的SCM，允许存在潜在混杂器和周期。我们展示在存在周期中，无循环SCM的许多方便的性质通常不会持有：它们并不总是有解决方案;它们并不总是诱导独特的观察，介入和反事实分布;边缘化并不总是存在，如果存在边缘模型并不总是尊重潜在的投影;他们并不总是满足马尔可夫财产;他们的图表并不总是与他们的因果语义一致。我们证明，对于SCM一般，这些属性中的每一个都在某些可加工条件下保持。我们的工作概括了SCM的结果，迄今为止仅针对某些特殊情况所知的周期。我们介绍了将循环循环设置扩展到循环设置的简单SCM的类，同时保留了许多方便的无环SCM的性能。用本文，我们的目标是为SCM提供统计因果建模的一般理论的基础。

仪器变量模型使我们能够确定协变量$ x $和响应$ y $之间的因果功能，即使在存在未观察到的混淆的情况下。大多数现有估计器都假定响应$ y $和隐藏混杂因素中的错误项与仪器$ z $不相关。这通常是由图形分离的动机，这一论点也证明了独立性。但是，提出独立限制会导致严格的可识别性结果。我们连接到计量经济学的现有文献，并提供了一种称为HSIC-X的实用方法，用于利用独立性，可以与任何基于梯度的学习程序结合使用。我们看到，即使在可识别的设置中，考虑到更高的矩可能会产生更好的有限样本结果。此外，我们利用独立性进行分布泛化。我们证明，只要这些移位足够强，拟议的估计器对于仪器的分布变化和最佳案例最佳变化是不变的。这些结果即使在未识别的情况下也能够得出这些结果，即仪器不足以识别因果功能。

我们解决了在没有观察到的混杂的存在下的因果效应估计的问题，但是观察到潜在混杂因素的代理。在这种情况下，我们提出了两种基于内核的方法，用于非线性因果效应估计：（a）两阶段回归方法，以及（b）最大矩限制方法。我们专注于近端因果学习设置，但是我们的方法可以用来解决以弗雷霍尔姆积分方程为特征的更广泛的逆问题。特别是，我们提供了在非线性环境中解决此问题的两阶段和矩限制方法的统一视图。我们为每种算法提供一致性保证，并证明这些方法在合成数据和模拟现实世界任务的数据上获得竞争结果。特别是，我们的方法优于不适合利用代理变量的早期方法。

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。

我们提出了用于中介分析和动态治疗效果的内核脊回归估计。我们允许治疗，协变量和介质是离散或连续的，低，高或无限的尺寸。我们在内核矩阵操作方面提出了具有封闭式解决方案的依据，增量和分布的估算者。对于连续治疗案例，我们证明了具有有限样本速率的均匀一致性。对于离散处理案例，我们证明了根 - N一致性，高斯近似和半占用效率。我们进行仿真，然后估计美国职务团计划的介导和动态治疗效果，弱势青少年。

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。

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.

因果推断对于跨业务参与，医疗和政策制定等领域的数据驱动决策至关重要。然而，关于因果发现的研究已经与推理方法分开发展，从而阻止了两个领域方法的直接组合。在这项工作中，我们开发了深层端到端因果推理（DECI），这是一种基于流动的非线性添加噪声模型，该模型具有观察数据，并且可以执行因果发现和推理，包括有条件的平均治疗效果（CATE） ）估计。我们提供了理论上的保证，即DECI可以根据标准因果发现假设恢复地面真实因果图。受应用影响的激励，我们将该模型扩展到具有缺失值的异质，混合型数据，从而允许连续和离散的治疗决策。我们的结果表明，与因果发现的相关基线相比，DECI的竞争性能和（c）在合成数据集和因果机器学习基准测试基准的一千多个实验中，跨数据类型和缺失水平进行了估计。

研究了与隐藏变量有关的非循环图（DAG）相关的因果模型中因果效应的识别理论。然而，由于估计它们输出的识别功能的复杂性，因此未耗尽相应的算法。在这项工作中，我们弥合了识别和估算涉及单一治疗和单一结果的人口水平因果效应之间的差距。我们派生了基于功能的估计，在大类隐藏变量DAG中表现出对所识别的效果的双重稳健性，其中治疗满足简单的图形标准;该类包括模型，产生调整和前门功能作为特殊情况。我们还提供必要的和充分条件，其中隐藏变量DAG的统计模型是非分子饱和的，并且意味着对观察到的数据分布没有平等约束。此外，我们推导了一类重要的隐藏变量DAG，这意味着观察到观察到的数据分布等同于完全观察到的DAG等同于（最高的相等约束）。在这些DAG类中，我们推出了实现兴趣目标的半导体效率界限的估计估计值，该估计是治疗满足我们的图形标准的感兴趣的目标。最后，我们提供了一种完整的识别算法，可直接产生基于权重的估计策略，以了解隐藏可变因果模型中的任何可识别效果。

域的概括（DG）通过利用来自多个相关分布或域的标记培训数据在看不见的测试分布上表现良好的预测因子。为了实现这一目标，标准公式优化了所有可能域的最差性能。但是，由于最糟糕的转变在实践中的转变极不可能，这通常会导致过度保守的解决方案。实际上，最近的一项研究发现，没有DG算法在平均性能方面优于经验风险最小化。在这项工作中，我们认为DG既不是最坏的问题，也不是一个普通的问题，而是概率问题。为此，我们为DG提出了一个概率框架，我们称之为可能的域概括，其中我们的关键想法是在训练期间看到的分配变化应在测试时告诉我们可能的变化。为了实现这一目标，我们将培训和测试域明确关联为从同一基础元分布中获取的，并提出了一个新的优化问题 - 分数风险最小化（QRM） - 要求该预测因子以很高的概率概括。然后，我们证明了QRM：（i）产生的预测因子，这些预测因素将具有所需概率的新域（给定足够多的域和样本）； （ii）随着概括的所需概率接近一个，恢复因果预测因子。在我们的实验中，我们引入了针对DG的更全面的以分位数评估协议，并表明我们的算法在真实和合成数据上的最先进基准都优于最先进的基准。

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。

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。

公平的机器学习旨在避免基于\ textit {敏感属性}（例如性别和种族）对个人或子人群的治疗。公平机器学习中的那些方法是基于因果推理确定的歧视和偏见的。尽管基于因果关系的公平学习吸引了越来越多的关注，但当前的方法假设真正的因果图是完全已知的。本文提出了一种一般方法，以实现反事实公平的概念时，当真实的因果图未知。为了能够选择导致反事实公平性的功能，我们得出了条件和算法，以识别\ textit上变量之间的祖先关系{部分定向的无循环图（pdag）}，具体来说，可以从一类可学到的dag中学到。观察数据与域知识相结合。有趣的是，我们发现可以实现反事实公平，就好像真正的因果图是完全知道的一样，当提供了特定的背景知识时：敏感属性在因果图中没有祖先。模拟和实际数据集的结果证明了我们方法的有效性。

非正式地，“虚假关联”是模型对分析师认为无关紧要的输入数据的某些方面的依赖性。在机器学习中，这些都有一个知道它 - 当你看到它的字符;例如，改变句子主题的性别改变了情绪预测因素的输出。要检查虚假相关性，我们可以通过对输入数据的无关部分进行扰动并查看模型预测变化来“压力测试”模型。在本文中，我们使用因果推断的工具研究压力测试。我们将反事实不变性介绍，作为一个正式化的要求，即改变输入不相关的部分不应改变模型预测。我们将反事实不变性与域外模型性能进行连接，并提供用于学习（大约）反事实不变预测器的实用方案（无需访问反事实示例）。事实证明，反事实不变性的手段和含义都基本上取决于数据的真实潜在的因果结构 - 特别是标签是否导致特征或功能导致标签。不同的因果结构需要不同的正则化方案，以诱导反事实不变性。同样，反事实不变性暗示不同的域移位保证，具体取决于底层的因果结构。该理论是通过文本分类的经验结果支持。