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。

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。

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.

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.

统计决策问题是统计机器学习的基础。最简单的问题是二进制和多类分类以及类概率估计。其定义的核心是损失函数的选择，这是评估解决方案质量的手段。在本文中，我们从一个新的角度从基本的成分是具有特定结构的凸集，从而系统地开发了此类问题的损失函数理论。损耗函数定义为凸集的支持函数的子级别。因此，它是自动适当的（校准以估计概率）。这种观点提供了三个新颖的机会。它可以发展损失与（反）纳入之间的基本关系，而这似乎以前没有注意到。其次，它可以开发由凸集的计算诱导的损失的演算，从而允许不同损失之间的插值，因此是将损失定制到特定问题的潜在有用的设计工具。在此过程中，我们基于凸组集合的M-sums的现有结果，并大大扩展了现有的结果。第三，透视图导致了一种自然理论的“极性”（或“反向”）损失函数，这些函数源自凸集的极性二元，定义了损失，并形成了VOVK聚合算法的自然通用替代函数。

可渴望可以理解为ANSCOMBE和AUMANN的贝叶斯决策理论的扩展，以延伸到预期公用事业集。可取性的核心在于测量奖励的量表线性的假设。它是一个传统的假设，用于得出预期的效用模型，该模型与理性决策的一般表示相冲突。尤其是，阿莱斯（Allais）在1953年以著名的悖论指出了这一点。我们注意到，当我们将可取性视为逻辑理论时，公用事业量表起着封闭操作员的作用。该观察结果使我们能够通过通用闭合操作员表示实用程序量表来扩展到非线性情况。新理论直接以实际的非线性货币（货币）表达了奖励，这在野蛮的精神上很大程度上表达，同时可以说将基础假设削弱到最低限度。我们从一组赌博及其上价和高价（预防）的角度来表征新理论的主要特性。我们展示了Allais悖论如何在新理论中找到解决方案，并讨论了该理论中概率集的作用。

我们介绍了统计实验的两种新的信息度量，它们概括和包含$ \ phi $ -diverences，积分概率指标，$ \ mathfrak {n} $ - distances（mmd）和$（f，\ gamma）$ divergences $ divergences在两个或多个分布之间。这使我们能够在信息的度量与统计决策问题的贝叶斯风险之间得出简单的几何关系，从而将变异的$ \ phi $ -divergence代表扩展到多个分布，以完全对称的方式。在马尔可夫运营商的行动下，新的分歧家庭被关闭，该家族产生了信息处理平等，这是经典数据处理不平等的完善和概括。这种平等使人深入了解假设类别在经典风险最小化中的重要性。

In this paper, we provide a theoretical framework to analyze an agent who misinterprets or misperceives the true decision problem she faces. Within this framework, we show that a wide range of behavior observed in experimental settings manifest as failures to perceive implications, in other words, to properly account for the logical relationships between various payoff relevant contingencies. We present behavioral characterizations corresponding to several benchmarks of logical sophistication and show how it is possible to identify which implications the agent fails to perceive. Thus, our framework delivers both a methodology for assessing an agent's level of contingent thinking and a strategy for identifying her beliefs in the absence full rationality.

每个已知的人工深神经网络（DNN）都对应于规范Grothendieck的拓扑中的一个物体。它的学习动态对应于此拓扑中的形态流动。层中的不变结构（例如CNNS或LSTMS）对应于Giraud的堆栈。这种不变性应该是对概括属性的原因，即从约束下的学习数据中推断出来。纤维代表语义前类别（Culioli，Thom），在该类别上定义了人工语言，内部逻辑，直觉主义者，古典或线性（Girard）。网络的语义功能是其能够用这种语言表达理论的能力，以回答输出数据中有关输出的问题。语义信息的数量和空间是通过类比与2015年香农和D.Bennequin的Shannon熵的同源解释来定义的。他们概括了Carnap和Bar-Hillel（1952）发现的措施。令人惊讶的是，上述语义结构通过封闭模型类别的几何纤维对象进行了分类，然后它们产生了DNNS及其语义功能的同位不变。故意类型的理论（Martin-Loef）组织了这些物体和它们之间的纤维。 Grothendieck的导数分析了信息内容和交流。

我们为依次随机实验提出了一种新的扩散 - 反应分析，包括在解决多臂匪徒问题中出现的扩散分析。在使用$ n $时间步骤的实验中，我们让动作规模之间的平均奖励差距到$ 1/\ sqrt {n} $，以将学习任务的难度保留为$ n $的增长。在这个方案中，我们表明，一类顺序随机的马尔可夫实验的行为收敛到扩散极限，作为对随机微分方程的解决方案。因此，扩散极限使我们能够得出顺序实验的随机动力学的精致实例特异性表征。我们使用扩散极限来获得一些关于顺序实验的遗憾和信念演变的新见解，包括汤普森采样。一方面，我们表明，当奖励差距相对较大时，所有随机概率的顺序实验都具有lipchitz连续的依赖性。另一方面，我们发现，汤普森（Thompson）的样本具有渐近性的先验差异，达到了近乎特定实例的遗憾缩放，包括较大的奖励差距。但是，尽管使用非信息先验对汤普森采样产生了良好的遗憾，但我们表明，随着时间的流逝，诱发的后验信仰非常不稳定。

Testing the significance of a variable or group of variables $X$ for predicting a response $Y$, given additional covariates $Z$, is a ubiquitous task in statistics. A simple but common approach is to specify a linear model, and then test whether the regression coefficient for $X$ is non-zero. However, when the model is misspecified, the test may have poor power, for example when $X$ is involved in complex interactions, or lead to many false rejections. In this work we study the problem of testing the model-free null of conditional mean independence, i.e. that the conditional mean of $Y$ given $X$ and $Z$ does not depend on $X$. We propose a simple and general framework that can leverage flexible nonparametric or machine learning methods, such as additive models or random forests, to yield both robust error control and high power. The procedure involves using these methods to perform regressions, first to estimate a form of projection of $Y$ on $X$ and $Z$ using one half of the data, and then to estimate the expected conditional covariance between this projection and $Y$ on the remaining half of the data. While the approach is general, we show that a version of our procedure using spline regression achieves what we show is the minimax optimal rate in this nonparametric testing problem. Numerical experiments demonstrate the effectiveness of our approach both in terms of maintaining Type I error control, and power, compared to several existing approaches.

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。

我们在非参数二进制分类的一个对抗性训练问题之间建立了等价性，以及规范器是非识别范围功能的正则化风险最小化问题。由此产生的正常风险最小化问题允许在图像分析和基于图形学习中常常研究的$ L ^ 1 + $（非本地）$ \ Operatorvers {TV} $的精确凸松弛。这种重构揭示了丰富的几何结构，这反过来允许我们建立原始问题的最佳解决方案的一系列性能，包括存在最小和最大解决方案（以合适的意义解释），以及常规解决方案的存在（也以合适的意义解释）。此外，我们突出了对抗性训练和周长最小化问题的联系如何为涉及周边/总变化的正规风险最小化问题提供一种新颖的直接可解释的统计动机。我们的大部分理论结果与用于定义对抗性攻击的距离无关。

In a mixed generalized linear model, the objective is to learn multiple signals from unlabeled observations: each sample comes from exactly one signal, but it is not known which one. We consider the prototypical problem of estimating two statistically independent signals in a mixed generalized linear model with Gaussian covariates. Spectral methods are a popular class of estimators which output the top two eigenvectors of a suitable data-dependent matrix. However, despite the wide applicability, their design is still obtained via heuristic considerations, and the number of samples $n$ needed to guarantee recovery is super-linear in the signal dimension $d$. In this paper, we develop exact asymptotics on spectral methods in the challenging proportional regime in which $n, d$ grow large and their ratio converges to a finite constant. By doing so, we are able to optimize the design of the spectral method, and combine it with a simple linear estimator, in order to minimize the estimation error. Our characterization exploits a mix of tools from random matrices, free probability and the theory of approximate message passing algorithms. Numerical simulations for mixed linear regression and phase retrieval display the advantage enabled by our analysis over existing designs of spectral methods.

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.

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。

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。

我们提出了一种统一的技术，用于顺序估计分布之间的凸面分歧，包括内核最大差异等积分概率度量，$ \ varphi $ - 像Kullback-Leibler发散，以及最佳运输成本，例如Wassersein距离的权力。这是通过观察到经验凸起分歧（部分有序）反向半角分离的实现来实现的，而可交换过滤耦合，其具有这些方法的最大不等式。这些技术似乎是对置信度序列和凸分流的现有文献的互补和强大的补充。我们构建一个离线到顺序设备，将各种现有的离线浓度不等式转换为可以连续监测的时间均匀置信序列，在任意停止时间提供有效的测试或置信区间。得到的顺序边界仅在相应的固定时间范围内支付迭代对数价格，保留对问题参数的相同依赖性（如适用的尺寸或字母大小）。这些结果也适用于更一般的凸起功能，如负差分熵，实证过程的高度和V型统计。

我们正式化并研究通过嵌入设计凸替代损失函数的自然方法，例如分类，排名或结构化预测等问题。在这种方法中，一个人将每一个有限的预测（例如排名）嵌入$ r^d $中的一个点，将原始损失值分配给这些要点，并以某种方式“凸出”损失以获得替代物。我们在这种方法和多面体（分段线性凸）的替代损失之间建立了牢固的联系：每个离散损失都被一些多面体损失嵌入，并且每个多面体损失都嵌入了一些离散的损失。此外，嵌入会产生一致的链接功能以及线性替代遗憾界限。正如我们用几个示例所说明的那样，我们的结果具有建设性。特别是，我们的框架为文献中各种多面体替代物以及不一致的替代物提供了简洁的证据或不一致的证据，它进一步揭示了这些代理人一致的离散损失。我们继续展示嵌入的其他结构，例如嵌入和匹配贝叶斯风险的等效性以及各种非算术概念的等效性。使用这些结果，我们确定与多面体替代物一起工作时，间接启发是一致性的必要条件也足够了。

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。