The intersection of causal inference and machine learning for decision-making is rapidly expanding, but the default decision criterion remains an \textit{average} of individual causal outcomes across a population. In practice, various operational restrictions ensure that a decision-maker's utility is not realized as an \textit{average} but rather as an \textit{output} of a downstream decision-making problem (such as matching, assignment, network flow, minimizing predictive risk). In this work, we develop a new framework for off-policy evaluation with \textit{policy-dependent} linear optimization responses: causal outcomes introduce stochasticity in objective function coefficients. Under this framework, a decision-maker's utility depends on the policy-dependent optimization, which introduces a fundamental challenge of \textit{optimization} bias even for the case of policy evaluation. We construct unbiased estimators for the policy-dependent estimand by a perturbation method, and discuss asymptotic variance properties for a set of adjusted plug-in estimators. Lastly, attaining unbiased policy evaluation allows for policy optimization: we provide a general algorithm for optimizing causal interventions. We corroborate our theoretical results with numerical simulations.

Statistical risk assessments inform consequential decisions such as pretrial release in criminal justice, and loan approvals in consumer finance. Such risk assessments make counterfactual predictions, predicting the likelihood of an outcome under a proposed decision (e.g., what would happen if we approved this loan?). A central challenge, however, is that there may have been unmeasured confounders that jointly affected past decisions and outcomes in the historical data. This paper proposes a tractable mean outcome sensitivity model that bounds the extent to which unmeasured confounders could affect outcomes on average. The mean outcome sensitivity model partially identifies the conditional likelihood of the outcome under the proposed decision, popular predictive performance metrics (e.g., accuracy, calibration, TPR, FPR), and commonly-used predictive disparities. We derive their sharp identified sets, and we then solve three tasks that are essential to deploying statistical risk assessments in high-stakes settings. First, we propose a doubly-robust learning procedure for the bounds on the conditional likelihood of the outcome under the proposed decision. Second, we translate our estimated bounds on the conditional likelihood of the outcome under the proposed decision into a robust, plug-in decision-making policy. Third, we develop doubly-robust estimators of the bounds on the predictive performance of an existing risk assessment.

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。

在本文中，我们研究了在一组单位上进行的设计实验的问题，例如在线市场中的用户或用户组，以多个时间段，例如数周或数月。这些实验特别有助于研究对当前和未来结果具有因果影响的治疗（瞬时和滞后的影响）。设计问题涉及在实验之前或期间选择每个单元的治疗时间，以便最精确地估计瞬间和滞后的效果，实验后。这种治疗决策的优化可以通过降低其样本尺寸要求，直接最小化实验的机会成本。优化是我们提供近最优解的NP-Hard整数程序，当时在开始时进行设计决策（固定样本大小设计）。接下来，我们研究允许在实验期间进行适应性决策的顺序实验，并且还可能早期停止实验，进一步降低其成本。然而，这些实验的顺序性质使设计阶段和估计阶段复杂化。我们提出了一种新的算法，PGAE，通过自适应地制造治疗决策，估算治疗效果和绘制有效的实验后推理来解决这些挑战。 PGAE将来自贝叶斯统计，动态编程和样品分裂的思想结合起来。使用来自多个域的真实数据集的合成实验，我们证明了与基准相比，我们的固定样本尺寸和顺序实验的提出解决方案将实验的机会成本降低了50％和70％。

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。

我们考虑在估计涉及依赖参数的高维滋扰的估计方程中估计一个低维参数。一个中心示例是因果推理中（局部）分位数处理效应（（L）QTE）的有效估计方程，涉及在分位数以估计的分位数评估的协方差累积分布函数。借记机学习（DML）是一种使用灵活的机器学习方法估算高维滋扰的数据分解方法，但是将其应用于参数依赖性滋扰的问题是不切实际的。对于（L）QTE，DML要求我们学习整个协变量累积分布函数。相反，我们提出了局部偏见的机器学习（LDML），该学习避免了这一繁重的步骤，并且只需要对参数进行一次初始粗糙猜测而估算烦恼。对于（L）QTE，LDML仅涉及学习两个回归功能，这是机器学习方法的标准任务。我们证明，在松弛速率条件下，我们的估计量与使用未知的真实滋扰的不可行的估计器具有相同的有利渐近行为。因此，LDML值得注意的是，当我们必须控制许多协变量和/或灵活的关系时，如（l）QTES在（（l）QTES）中，实际上可以有效地估算重要数量，例如（l）QTES。

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.

上下文的强盗和强化学习算法已成功用于各种交互式学习系统，例如在线广告，推荐系统和动态定价。但是，在高风险应用领域（例如医疗保健）中，它们尚未被广泛采用。原因之一可能是现有方法假定基本机制是静态的，因为它们不会在不同的环境上改变。但是，在许多现实世界中，这些机制可能会跨环境变化，这可能使静态环境假设无效。在本文中，考虑到离线上下文匪徒的框架，我们迈出了解决环境转变问题的一步。我们认为环境转移问题通过因果关系的角度，并提出了多种环境的背景匪徒，从而可以改变基本机制。我们采用因果关系文献的不变性概念，并介绍了政策不变性的概念。我们认为，仅当存在未观察到的变量时，政策不变性才有意义，并表明在这种情况下，保证在适当假设下跨环境概括最佳不变政策。我们的结果建立了因果关系，不变性和上下文土匪之间的具体联系。

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。

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。

本文提出了一种估计溢出效应存在福利最大化政策的实验设计。我考虑一个设置在其中组织成一个有限数量的大型群集，并在每个群集中以不观察到的方式交互。作为第一种贡献，我介绍了一个单波实验，以估计治疗概率的变化的边际效应，以考虑到溢出率，并测试政策最优性。该设计在群集中独立地随机化处理，并诱导局部扰动到对簇成对的治疗概率。使用估计的边际效应，我构建了对定期治疗分配规则最大化福利的实际测试，并且我表征了其渐近性质。该想法是，研究人员应报告对福利最大化政策的边际效应和测试的估计：边际效应表明福利改善的方向，并提供了关于是否值得进行额外实验以估计估计福利改善的证据治疗分配。作为第二种贡献，我设计了多波实验来估计治疗分配规则并最大化福利。我获得了小型样本保证，最大可获得的福利和估计政策（遗憾）评估的福利之间的差异。这种保证的必要性是，遗憾在迭代和集群的数量中线性会聚到零。校准在信息扩散和现金转移方案上校准的模拟表明，该方法导致了显着的福利改进。

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。

In many investigations, the primary outcome of interest is difficult or expensive to collect. Examples include long-term health effects of medical interventions, measurements requiring expensive testing or follow-up, and outcomes only measurable on small panels as in marketing. This reduces effective sample sizes for estimating the average treatment effect (ATE). However, there is often an abundance of observations on surrogate outcomes not of primary interest, such as short-term health effects or online-ad click-through. We study the role of such surrogate observations in the efficient estimation of treatment effects. To quantify their value, we derive the semiparametric efficiency bounds on ATE estimation with and without the presence of surrogates and several intermediary settings. The difference between these characterizes the efficiency gains from optimally leveraging surrogates. We study two regimes: when the number of surrogate observations is comparable to primary-outcome observations and when the former dominates the latter. We take an agnostic missing-data approach circumventing strong surrogate conditions previously assumed. To leverage surrogates' efficiency gains, we develop efficient ATE estimation and inference based on flexible machine-learning estimates of nuisance functions appearing in the influence functions we derive. We empirically demonstrate the gains by studying the long-term earnings effect of job training.

针对社会福利计划中个人的干预措施的主要问题之一是歧视：个性化治疗可能导致跨年龄，性别或种族等敏感属性的差异。本文解决了公平有效的治疗分配规则的设计问题。我们采用了第一次的非遗憾视角，没有危害：我们选择了帕累托边境中最公平的分配。我们将优化投入到混合构成线性程序公式中，可以使用现成的算法来解决。我们对估计的政策功能的不公平性和在帕累托前沿的不公平保证在一般公平概念下的不公平性范围内得出了遗憾。最后，我们使用教育经济学的应用来说明我们的方法。

关于人们的预测，例如他们预期的教育成就或信用风险，可以表现出色，并塑造他们旨在预测的结果。了解这些预测对最终结果的因果影响对于预测未来预测模型的含义并选择要部署哪些模型至关重要。但是，该因果估计任务带来了独特的挑战：模型预测通常是输入特征的确定性功能，并且与结果高度相关，这可能使预测的因果效应不可能从协变量的直接效应中解散。我们通过因果可识别性的角度研究了这个问题，尽管该问题完全普遍，但我们突出了三种自然情况，在这些情况下，可以从观察数据中确定预测对结果的因果影响：基于预测或基于预测的决策中的随机化。 ，在数据收集过程中部署的预测模型和离散预测输出的过度参数化。我们从经验上表明，在适当的可识别性条件下，从预测中预测的监督学习的标准变体可以找到特征，预测和结果之间的可转移功能关系，从而得出有关新部署的预测模型的结论。我们的积极结果从根本上依赖于在数据收集期间记录的模型预测，从而提出了重新思考标准数据收集实践的重要性，以使进步能够更好地理解社会成果和表现性反馈循环。

我们研究了一种建设性算法，该算法通过有限差异来近似于统计功能的GATEAUX衍生物，重点是因果推理功能。我们考虑了不知道先验性的概率分布，但还需要从数据估算的情况。这些估计的分布导致了经验性Gateaux衍生物，我们研究了经验，数值和分析性GATEAUX衍生物之间的关系。从反事实平均估计的案例研究开始，我们实例化有限差异与分析性GATEAUX衍生物之间的确切关系。然后，我们得出了对扰动和平滑度数值近似速率的要求，以保留一步调整的统计益处，例如速率双重运动。然后，我们研究了更复杂的功能，例如动态治疗方案和无限马尔可夫决策过程中的策略优化的线性编程公式。在存在任意约束的情况下，新发现的近似偏差调整的能力说明了构建方法对Gateaux衍生物的有用性。我们还发现，功能性（速率双重鲁棒性）的统计结构可以允许较少的有限差近似速率保守速率。但是，此属性可以特定于特定功能，例如它是针对事实的平均值，但不是无限 - 摩恩MDP策略价值。

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。

Many scientific and engineering challenges-ranging from personalized medicine to customized marketing recommendations-require an understanding of treatment effect heterogeneity. In this paper, we develop a non-parametric causal forest for estimating heterogeneous treatment effects that extends Breiman's widely used random forest algorithm. In the potential outcomes framework with unconfoundedness, we show that causal forests are pointwise consistent for the true treatment effect, and have an asymptotically Gaussian and centered sampling distribution. We also discuss a practical method for constructing asymptotic confidence intervals for the true treatment effect that are centered at the causal forest estimates. Our theoretical results rely on a generic Gaussian theory for a large family of random forest algorithms. To our knowledge, this is the first set of results that allows any type of random forest, including classification and regression forests, to be used for provably valid statistical inference. In experiments, we find causal forests to be substantially more powerful than classical methods based on nearest-neighbor matching, especially in the presence of irrelevant covariates.

在本文中，我们提出了一种非参数估计的方法，并推断了一般样本选择模型中因果效应参数的异质界限，初始治疗可能会影响干预后结果是否观察到。可观察到的协变量可能会混淆治疗选择，而观察结果和不可观察的结果可能会混淆。该方法提供条件效应界限作为策略相关的预处理变量的功能。它允许对身份不明的条件效应曲线进行有效的统计推断。我们使用灵活的半参数脱偏机学习方法，该方法可以适应柔性功能形式和治疗，选择和结果过程之间的高维混杂变量。还提供了易于验证的高级条件，以进行估计和错误指定的鲁棒推理保证。

各种研究中的主要研究目标是使用观察数据集，并提供一种可以产生因果改进的新的反事准则。人动态治疗制度（DTRS）被广泛研究以正规化此过程。然而，在寻找最佳DTR中的可用方法通常依赖于现实世界应用（例如，医学决策或公共政策）违反的假设，特别是当（a）不可忽视未观察到的混乱时，并且（b）未观察到的混乱是时变（例如，受前一个行动的影响）。当违反这种假设时，人们经常面临关于所需的潜在因果模型来获得最佳DTR的歧视。这种歧义是不可避免的，因为无法从观察到的数据中理解未观察到的混血者的动态及其对观察到的数据的因果影响。通过案例研究，为在移植后接受伴随医院移植的患者的患者寻找卓越的治疗方案，并在移植后遇到称为新的发病糖尿病（NODAT），我们将DTR扩展到一个新阶级，被称为暧昧的动态治疗制度（ADTR） ，其中根据潜在因果模型的“云”评估治疗方案的随意影响。然后，我们将Adtrs连接到Saghafian（2018）提出的暧昧部分可观察标记决策过程（APOMDPS），并开发了两种加强学习方法，称为直接增强V-Learning（DAV-Learning）和安全增强V-Learning（SAV-Learning），其中使用观察到的数据能够有效地学习最佳治疗方案。我们为这些学习方法制定理论结果，包括（弱）一致性和渐近正常性。我们进一步评估了这些学习方法在案例研究和仿真实验中的性能。