Virtually all machine learning tasks are characterized using some form of loss function, and "good performance" is typically stated in terms of a sufficiently small average loss, taken over the random draw of test data. While optimizing for performance on average is intuitive, convenient to analyze in theory, and easy to implement in practice, such a choice brings about trade-offs. In this work, we survey and introduce a wide variety of non-traditional criteria used to design and evaluate machine learning algorithms, place the classical paradigm within the proper historical context, and propose a view of learning problems which emphasizes the question of "what makes for a desirable loss distribution?" in place of tacit use of the expected loss.

机器学习通常以经典的概率理论为前提，这意味着聚集是基于期望的。现在有多种原因可以激励人们将经典概率理论作为机器学习的数学基础。我们系统地检查了一系列强大而丰富的此类替代品，即各种称为光谱风险度量，Choquet积分或Lorentz规范。我们提出了一系列的表征结果，并演示了使这个光谱家族如此特别的原因。在此过程中，我们证明了所有连贯的风险度量的自然分层，从它们通过利用重新安排不变性Banach空间理论的结果来诱导的上层概率。我们凭经验证明了这种新的不确定性方法如何有助于解决实用的机器学习问题。

Uncertainty is prevalent in engineering design, statistical learning, and decision making broadly. Due to inherent risk-averseness and ambiguity about assumptions, it is common to address uncertainty by formulating and solving conservative optimization models expressed using measure of risk and related concepts. We survey the rapid development of risk measures over the last quarter century. From its beginning in financial engineering, we recount their spread to nearly all areas of engineering and applied mathematics. Solidly rooted in convex analysis, risk measures furnish a general framework for handling uncertainty with significant computational and theoretical advantages. We describe the key facts, list several concrete algorithms, and provide an extensive list of references for further reading. The survey recalls connections with utility theory and distributionally robust optimization, points to emerging applications areas such as fair machine learning, and defines measures of reliability.

预期风险最小化（ERM）是机器学习系统的核心。这意味着使用单个数字（其平均值）总结了损失分布中固有的风险。在本文中，我们提出了一种构建风险措施的一般方法，该方法表现出所需的尾巴敏感性，并可能取代ERM中的期望操作员。我们的方法依赖于具有所需尾巴行为的参考分布的规范，该分布与连贯上层概率的一对一对应关系。与此上层概率兼容的任何风险度量都显示出尾部灵敏度，该灵敏度可很好地调整为参考分布。作为一个具体的例子，我们专注于基于F-Divergence歧义集的差异风险度量，这是一种广泛的工具，用于促进机器学习系统的分布鲁棒性。例如，我们展示了基于kullback-leibler差异的歧义集与次指定随机变量的类别相关。我们阐述了差异风险度量和重新排列不变的Banach规范的联系。

我们基于电子价值开发假设检测理论，这是一种与p值不同的证据，允许毫不费力地结合来自常见场景中的几项研究的结果，其中决定执行新研究可能取决于以前的结果。基于E-V值的测试是安全的，即它们在此类可选的延续下保留I型错误保证。我们将增长速率最优性（GRO）定义为可选的连续上下文中的电力模拟，并且我们展示了如何构建GRO E-VARIABLE，以便为复合空缺和替代，强调模型的常规测试问题，并强调具有滋扰参数的模型。 GRO E值采取具有特殊前瞻的贝叶斯因子的形式。我们使用几种经典示例说明了该理论，包括一个样本安全T检验（其中右哈尔前方的右手前锋为GE）和2x2差价表（其中GRE之前与标准前沿不同）。分享渔业，奈曼和杰弗里斯·贝叶斯解释，电子价值观和相应的测试可以提供所有三所学校的追随者可接受的方法。

本文衍生了置信区间（CI）和时间统一的置信序列（CS），用于从有限观测值中估算未知平均值的经典问题。我们提出了一种衍生浓度界限的一般方法，可以看作是著名的切尔诺夫方法的概括（和改进）。它的核心是基于推导一类新的复合非负胸腔，通过投注和混合方法与测试的连接很强。我们展示了如何将这些想法扩展到无需更换的情况下，这是另一个经过深入研究的问题。在所有情况下，我们的界限都适应未知的差异，并且基于Hoeffding或经验的Bernstein不平等及其最近的Supermartingale概括，经验上大大优于现有方法。简而言之，我们为四个基本问题建立了一个新的最先进的问题：在有或没有替换的情况下进行采样时，CS和CI进行有限的手段。

The notion of uncertainty is of major importance in machine learning and constitutes a key element of machine learning methodology. In line with the statistical tradition, uncertainty has long been perceived as almost synonymous with standard probability and probabilistic predictions. Yet, due to the steadily increasing relevance of machine learning for practical applications and related issues such as safety requirements, new problems and challenges have recently been identified by machine learning scholars, and these problems may call for new methodological developments. In particular, this includes the importance of distinguishing between (at least) two different types of uncertainty, often referred to as aleatoric and epistemic. In this paper, we provide an introduction to the topic of uncertainty in machine learning as well as an overview of attempts so far at handling uncertainty in general and formalizing this distinction in particular.

我们探索了一个新的强盗实验模型，其中潜在的非组织序列会影响武器的性能。上下文 - 统一算法可能会混淆，而那些执行正确的推理面部信息延迟的算法。我们的主要见解是，我们称之为Deconfounst Thompson采样的算法在适应性和健壮性之间取得了微妙的平衡。它的适应性在易于固定实例中带来了最佳效率，但是在硬性非平稳性方面显示出令人惊讶的弹性，这会导致其他自适应算法失败。

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。

通过使一组基本预测因素投票根据一些权重，即对某些概率分布来获得聚合预测器。根据一些规定的概率分布，通过在一组基本预测器中采样来获得随机预测器。因此，聚合和随机预测器的共同之处包括最小化问题，而是通过对预测器集的概率分布来定义。在统计学习理论中，有一套工具旨在了解此类程序的泛化能力：Pac-Bayesian或Pac-Bayes界。由于D. Mcallester的原始Pac-Bayes界，这些工具在许多方向上得到了大大改善（例如，我们将描述社区错过的O. Catoni的定位技术的简化版本，后来被重新发现“相互信息界“）。最近，Pac-Bayes的界限受到相当大的关注：例如，在2017年的Pac-Bayes上有研讨会，“（几乎）50种贝叶斯学习：Pac-Bayesian趋势和见解”，由B. Guedj，F组织。 。巴赫和P.Merain。这一最近成功的原因之一是通过G. Dziugaite和D. Roy成功地将这些限制应用于神经网络。对Pac-Bayes理论的初步介绍仍然缺失。这是一种尝试提供这样的介绍。

我们介绍了有关风险分析与自治系统控制之间的联系的历史概述。我们提供两个主要贡献。我们的第一个贡献是提出三个重叠的范式，以对庞大的文献进行分类：最严重的案例，风险中性和风险避免风险的范式。我们考虑对自治系统依赖手头应用的风险进行适当的评估。相比之下，仅使用预期，差异或概率来评估风险是典型的。我们的第二个贡献是统一风险和自治系统的概念。我们通过连接量化和优化从学术领域的系统行为引起的风险的方法来实现这一目标。该调查是高度多学科的。我们包括来自强化学习，随机和健壮的控制理论，运营研究和正式验证的研究。我们描述了基于模型的方法和无模型方法，重点是前者。最后，我们重点介绍了富有成果的领域，以供进一步研究。一个关键方向是将基于风险的模型和无模型的方法融合在一起，以增强系统的实时自适应能力，以改善人类和环境福利。

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。

这项正在进行的工作旨在为统计学习提供统一的介绍，从诸如GMM和HMM等经典模型到现代神经网络（如VAE和扩散模型）缓慢地构建。如今，有许多互联网资源可以孤立地解释这一点或新的机器学习算法，但是它们并没有（也不能在如此简短的空间中）将这些算法彼此连接起来，或者与统计模型的经典文献相连现代算法出现了。同样明显缺乏的是一个单一的符号系统，尽管对那些已经熟悉材料的人（如这些帖子的作者）不满意，但对新手的入境造成了重大障碍。同样，我的目的是将各种模型（尽可能）吸收到一个用于推理和学习的框架上，表明（以及为什么）如何以最小的变化将一个模型更改为另一个模型（其中一些是新颖的，另一些是文献中的）。某些背景当然是必要的。我以为读者熟悉基本的多变量计算，概率和统计以及线性代数。这本书的目标当然不是​​完整性，而是从基本知识到过去十年中极强大的新模型的直线路径或多或少。然后，目标是补充而不是替换，诸如Bishop的\ emph {模式识别和机器学习}之类的综合文本，该文本现在已经15岁了。

现在通常用于高风险设置，如医疗诊断，如医疗诊断，那么需要不确定量化，以避免后续模型失败。无分发的不确定性量化（无分布UQ）是用户友好的范式，用于为这种预测创建统计上严格的置信区间/集合。批判性地，间隔/集合有效而不进行分布假设或模型假设，即使具有最多许多DataPoints也具有显式保证。此外，它们适应输入的难度;当输入示例很困难时，不确定性间隔/集很大，信号传达模型可能是错误的。在没有多大的工作和没有再培训的情况下，可以在任何潜在的算法（例如神经网络）上使用无分​​发方法，以产生置信度集，以便包含用户指定概率，例如90％。实际上，这些方法易于理解和一般，应用于计算机视觉，自然语言处理，深度加强学习等领域出现的许多现代预测问题。这种实践介绍是针对对无需统计学家的免费UQ的实际实施感兴趣的读者。我们通过实际的理论和无分发UQ的应用领导读者，从保形预测开始，并使无关的任何风险的分布控制，如虚假发现率，假阳性分布检测，等等。我们将包括Python中的许多解释性插图，示例和代码样本，具有Pytorch语法。目标是提供读者对无分配UQ的工作理解，使它们能够将置信间隔放在算法上，其中包含一个自包含的文档。

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。

象征性的AI社区越来越多地试图在神经符号结构中接受机器学习，但由于文化障碍，仍在挣扎。为了打破障碍，这份相当有思想的个人备忘录试图解释和纠正统计，机器学习和深入学习的惯例，从局外人的角度进行深入学习。它提供了一个分步协议，用于设计一个机器学习系统，该系统满足符号AI社区认真对待所必需的最低理论保证，即，它讨论“在哪些条件下，我们可以停止担心和接受统计机器学习。 “一些亮点：大多数教科书都是为计划专门研究STAT/ML/DL的人编写的，应该接受术语。该备忘录适用于经验丰富的象征研究人员，他们听到了很多嗡嗡声，但仍然不确定和持怀疑态度。有关STAT/ML/DL的信息目前太分散或嘈杂而无法投资。此备忘录优先考虑紧凑性，并特别注意与象征性范式相互共鸣的概念。我希望这份备忘录能节省时间。它优先考虑一般数学建模，并且不讨论任何特定的函数近似器，例如神经网络（NNS），SVMS，决策树等。它可以对校正开放。将此备忘录视为与博客文章相似的内容，采用有关Arxiv的论文的形式。

对未来观察的预测是一个重要且具有挑战性的问题。分别量化预测不确定性使用预测区域和预测分布的两种主流方法，后者认为更具信息性，因为它可以执行其他与预测相关的任务。有效性的标准概念（我们在这里称为1型有效性）着重于预测区域的覆盖范围，而与预测分布执行的其他与预测相关的任务相关的有效性概念则缺乏。在这里，我们提出了一个新概念，称为2型有效性，与这些其他预测任务有关。我们建立了2型有效性和相干性能之间的联系，并表明为实现它而需要不精确的概率考虑因素。我们继续表明，可以通过将共形预测输出作为辅音合理性度量的轮廓函数来实现两种类型的预测有效性。我们还基于新的非参数推论模型构建提供了保​​形预测的替代表征，其中辅音的出现是自然的，并证明了其有效性。

Classical asymptotic theory for statistical inference usually involves calibrating a statistic by fixing the dimension $d$ while letting the sample size $n$ increase to infinity. Recently, much effort has been dedicated towards understanding how these methods behave in high-dimensional settings, where $d$ and $n$ both increase to infinity together. This often leads to different inference procedures, depending on the assumptions about the dimensionality, leaving the practitioner in a bind: given a dataset with 100 samples in 20 dimensions, should they calibrate by assuming $n \gg d$, or $d/n \approx 0.2$? This paper considers the goal of dimension-agnostic inference; developing methods whose validity does not depend on any assumption on $d$ versus $n$. We introduce an approach that uses variational representations of existing test statistics along with sample splitting and self-normalization to produce a new test statistic with a Gaussian limiting distribution, regardless of how $d$ scales with $n$. The resulting statistic can be viewed as a careful modification of degenerate U-statistics, dropping diagonal blocks and retaining off-diagonal blocks. We exemplify our technique for some classical problems including one-sample mean and covariance testing, and show that our tests have minimax rate-optimal power against appropriate local alternatives. In most settings, our cross U-statistic matches the high-dimensional power of the corresponding (degenerate) U-statistic up to a $\sqrt{2}$ factor.

我们研究只有历史数据时设计最佳学习和决策制定公式的问题。先前的工作通常承诺要进行特定的数据驱动配方，并随后尝试建立样本外的性能保证。我们以相反的方式采取了相反的方法。我们首先定义一个明智的院子棒，以测量任何数据驱动的公式的质量，然后寻求找到最佳的这种配方。在非正式的情况下，可以看到任何数据驱动的公式可以平衡估计成本与实际成本的接近度的量度，同时保证了样本外的性能水平。考虑到可接受的样本外部性能水平，我们明确地构建了一个数据驱动的配方，该配方比任何其他享有相同样本外部性能的其他配方都更接近真实成本。我们展示了三种不同的样本外绩效制度（超大型制度，指数状态和次指数制度）之间存在，最佳数据驱动配方的性质会经历相变的性质。最佳数据驱动的公式可以解释为超级稳定的公式，在指数方面是一种熵分布在熵上稳健的公式，最后是次指数制度中的方差惩罚公式。这个最终的观察揭示了这三个观察之间的令人惊讶的联系，乍一看似乎是无关的，数据驱动的配方，直到现在仍然隐藏了。

在因果推理和强盗文献中，基于观察数据的线性功能估算线性功能的问题是规范的。我们分析了首先估计治疗效果函数的广泛的两阶段程序，然后使用该数量来估计线性功能。我们证明了此类过程的均方误差上的非反应性上限：这些边界表明，为了获得非反应性最佳程序，应在特定加权$ l^2 $中最大程度地估算治疗效果的误差。 -规范。我们根据该加权规范的约束回归分析了两阶段的程序，并通过匹配非轴突局部局部最小值下限，在有限样品中建立了实例依赖性最优性。这些结果表明，除了取决于渐近效率方差之外，最佳的非质子风险除了取决于样本量支持的最富有函数类别的真实结果函数与其近似类别之间的加权规范距离。