Originating from cooperative game theory, Shapley values have become one of the most widely used measures for variable importance in applied Machine Learning. However, the statistical understanding of Shapley values is still limited. In this paper, we take a nonparametric (or smoothing) perspective by introducing Shapley curves as a local measure of variable importance. We propose two estimation strategies and derive the consistency and asymptotic normality both under independence and dependence among the features. This allows us to construct confidence intervals and conduct inference on the estimated Shapley curves. The asymptotic results are validated in extensive experiments. In an empirical application, we analyze which attributes drive the prices of vehicles.

加权最近的邻居（WNN）估计量通常用作平均回归估计的灵活且易于实现的非参数工具。袋装技术是一种优雅的方式，可以自动生成最近邻居的重量的WNN估计器；我们将最终的估计量命名为分布最近的邻居（DNN），以便于参考。然而，这种估计器缺乏分布结果，从而将其应用于统计推断。此外，当平均回归函数具有高阶平滑度时，DNN无法达到最佳的非参数收敛率，这主要是由于偏差问题。在这项工作中，我们对DNN提供了深入的技术分析，我们建议通过线性将两个DNN估计量与不同的子采样量表进行线性相结合，从而提出了DNN估计量的偏差方法，从而导致新型的两尺度DNN（TDNN（TDNN） ）估计器。两尺度的DNN估计量具有等效的WNN表示，重量承认明确形式，有些则是负面的。我们证明，由于使用负权重，两尺度DNN估计器在四阶平滑度条件下估算回归函数时享有最佳的非参数收敛速率。我们进一步超出了估计，并确定DNN和两个规模的DNN均无渐进地正常，因为亚次采样量表和样本量差异到无穷大。对于实际实施，我们还使用二尺度DNN的Jacknife和Bootstrap技术提供方差估计器和分配估计器。可以利用这些估计器来构建有效的置信区间，以用于回归函数的非参数推断。建议的两尺度DNN方法的理论结果和吸引人的有限样本性能用几个数值示例说明了。

We develop a general framework for distribution-free predictive inference in regression, using conformal inference. The proposed methodology allows for the construction of a prediction band for the response variable using any estimator of the regression function. The resulting prediction band preserves the consistency properties of the original estimator under standard assumptions, while guaranteeing finite-sample marginal coverage even when these assumptions do not hold. We analyze and compare, both empirically and theoretically, the two major variants of our conformal framework: full conformal inference and split conformal inference, along with a related jackknife method. These methods offer different tradeoffs between statistical accuracy (length of resulting prediction intervals) and computational efficiency. As extensions, we develop a method for constructing valid in-sample prediction intervals called rank-one-out conformal inference, which has essentially the same computational efficiency as split conformal inference. We also describe an extension of our procedures for producing prediction bands with locally varying length, in order to adapt to heteroskedascity in the data. Finally, we propose a model-free notion of variable importance, called leave-one-covariate-out or LOCO inference. Accompanying this paper is an R package conformalInference that implements all of the proposals we have introduced. In the spirit of reproducibility, all of our empirical results can also be easily (re)generated using this package.

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。

We introduce the XPER (eXplainable PERformance) methodology to measure the specific contribution of the input features to the predictive or economic performance of a model. Our methodology offers several advantages. First, it is both model-agnostic and performance metric-agnostic. Second, XPER is theoretically founded as it is based on Shapley values. Third, the interpretation of the benchmark, which is inherent in any Shapley value decomposition, is meaningful in our context. Fourth, XPER is not plagued by model specification error, as it does not require re-estimating the model. Fifth, it can be implemented either at the model level or at the individual level. In an application based on auto loans, we find that performance can be explained by a surprisingly small number of features. XPER decompositions are rather stable across metrics, yet some feature contributions switch sign across metrics. Our analysis also shows that explaining model forecasts and model performance are two distinct tasks.

预测一组结果 - 而不是独特的结果 - 是统计学习中不确定性定量的有前途的解决方案。尽管有关于构建具有统计保证的预测集的丰富文献，但适应未知的协变量转变（实践中普遍存在的问题）还是一个严重的未解决的挑战。在本文中，我们表明具有有限样本覆盖范围保证的预测集是非信息性的，并提出了一种新型的无灵活分配方法PredSet-1Step，以有效地构建了在未知协方差转移下具有渐近覆盖范围保证的预测集。我们正式表明我们的方法是\ textIt {渐近上可能是近似正确}，对大型样本的置信度有很好的覆盖误差。我们说明，在南非队列研究中，它在许多实验和有关HIV风险预测的数据集中实现了名义覆盖范围。我们的理论取决于基于一般渐近线性估计器的WALD置信区间覆盖范围的融合率的新结合。

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.

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.

基于Shapley值的功能归因在解释机器学习模型中很受欢迎。但是，从理论和计算的角度来看，它们的估计是复杂的。我们将这种复杂性分解为两个因素：（1）〜删除特征信息的方法，以及（2）〜可拖动估计策略。这两个因素提供了一种天然镜头，我们可以更好地理解和比较24种不同的算法。基于各种特征删除方法，我们描述了多种类型的Shapley值特征属性和计算每个类型的方法。然后，基于可进行的估计策略，我们表征了两个不同的方法家族：模型 - 不合时宜的和模型特定的近似值。对于模型 - 不合稳定的近似值，我们基准了广泛的估计方法，并将其与Shapley值的替代性但等效的特征联系起来。对于特定于模型的近似值，我们阐明了对每种方法的线性，树和深模型的障碍至关重要的假设。最后，我们确定了文献中的差距以及有希望的未来研究方向。

算法在政策和业务中产生越来越多的决策和建议。这种算法决策是自然实验（可条件准随机分配的仪器），因为该算法仅基于可观察输入变量的决定。我们使用该观察来为一类随机和确定性决策算法开发治疗效果估算器。我们的估算器被证明对于明确的因果效应，它们是一致的和渐近正常的。我们估算器的一个关键特例是多维回归不连续性设计。我们应用估算员以评估冠状病毒援助，救济和经济安全（关心）法案的效果，其中数十亿美元的资金通过算法规则分配给医院。我们的估计表明，救济资金对Covid-19相关的医院活动水平影响不大。天真的OLS和IV估计表现出实质性的选择偏差。

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.

由于黑盒预测方法如随机森林和神经网络的广泛使用，重新开发了用于量化变量重要性的发展方法，作为可解释预测的更广泛目标的一部分。一种流行的方法是定义变量重要性参数 - 被称为Loco（遗漏协变量） - 基于来自回归模型的滴加器。这基本上是一个非参考版本的R角。该参数非常一般，可以非正常估计，但它可能很难解释，因为它受到协变量之间的相关性的影响。我们提出了一种通过定义MOCO的修改版本来缓解相关性的方法。这个新参数难以非视野识地估计，但我们展示了如何使用半造型模型来估算它。

嵌套模拟涉及通过模拟估算条件期望的功能。在本文中，我们提出了一种基于内核RIDGE回归的新方法，利用作为多维调节变量的函数的条件期望的平滑度。渐近分析表明，随着仿真预算的增加，所提出的方法可以有效地减轻了对收敛速度的维度诅咒，只要条件期望足够平滑。平滑度桥接立方根收敛速度之间的间隙（即标准嵌套模拟的最佳速率）和平方根收敛速率（即标准蒙特卡罗模拟的规范率）。我们通过来自投资组合风险管理和输入不确定性量化的数值例子来证明所提出的方法的性能。

本文研究了在潜在的结果框架中使用深神经网络（DNN）的平均治疗效果（ATE）的估计和推理。在一些规则性条件下，观察到的响应可以作为与混杂变量和治疗指标作为自变量的平均回归问题的响应。使用这种配方，我们研究了通过使用特定网络架构的DNN回归基于估计平均回归函数的两种尝试估计和推断方法。我们表明ATE的两个DNN估计在底层真正的均值回归模型上的一些假设下与无维一致性率一致。我们的模型假设可容纳观察到的协变量的潜在复杂的依赖结构，包括治疗指标和混淆变量之间的潜在因子和非线性相互作用。我们还基于采样分裂的思想，确保精确推理和不确定量化，建立了我们估计的渐近常态。仿真研究和实际数据应用证明了我们的理论调查结果，支持我们的DNN估计和推理方法。

由于其出色的经验表现，随机森林是过去十年中使用的机器学习方法之一。然而，由于其黑框的性质，在许多大数据应用中很难解释随机森林的结果。量化各个特征在随机森林中的实用性可以大大增强其解释性。现有的研究表明，一些普遍使用的特征对随机森林的重要性措施遭受了偏见问题。此外，对于大多数现有方法，缺乏全面的规模和功率分析。在本文中，我们通过假设检验解决了问题，并提出了一个自由化特征 - 弥散性相关测试（事实）的框架，以评估具有偏见性属性的随机森林模型中给定特征的重要性，我们零假设涉及该特征是否与所有其他特征有条件地独立于响应。关于高维随机森林一致性的一些最新发展，对随机森林推断的这种努力得到了赋予的能力。在存在功能依赖性的情况下，我们的事实测试的香草版可能会遇到偏见问题。我们利用偏置校正的不平衡和调节技术。我们通过增强功率的功能转换将合奏的想法进一步纳入事实统计范围。在相当普遍的具有依赖特征的高维非参数模型设置下，我们正式确定事实可以提供理论上合理的随机森林具有P值，并通过非催化分析享受吸引人的力量。新建议的方法的理论结果和有限样本优势通过几个模拟示例和与Covid-19的经济预测应用进行了说明。

即使有效，模型的使用也必须伴随着转换数据的各个级别的理解（上游和下游）。因此，需求增加以定义单个数据与算法可以根据其分析可以做出的选择（例如，一种产品或一种促销报价的建议，或代表风险的保险费率）。模型用户必须确保模型不会区分，并且也可以解释其结果。本文介绍了模型解释的重要性，并解决了模型透明度的概念。在保险环境中，它专门说明了如何使用某些工具来强制执行当今可以利用机器学习的精算模型的控制。在一个简单的汽车保险中损失频率估计的示例中，我们展示了一些解释性方法的兴趣，以适应目标受众的解释。

在本文中，我们的目标是提供对半监督（SS）因果推理的一般性和完全理解治疗效果。具体而言，我们考虑两个这样的估计值：（a）平均治疗效果和（b）定量处理效果，作为原型案例，在SS设置中，其特征在于两个可用的数据集：（i）标记的数据集大小$ N $，为响应和一组高维协变量以及二元治疗指标提供观察。 （ii）一个未标记的数据集，大小超过$ n $，但未观察到的响应。使用这两个数据集，我们开发了一个SS估计系列，该系列是：（1）更强大，并且（2）比其监督对应力更高的基于标记的数据集。除了通过监督方法可以实现的“标准”双重稳健结果（在一致性方面），我们还在正确指定模型中的倾向得分，我们进一步建立了我们SS估计的根本-N一致性和渐近常态。没有需要涉及的特定形式的滋扰职能。这种改善的鲁棒性来自使用大规模未标记的数据，因此通常不能在纯粹监督的环境中获得。此外，只要正确指定所有滋扰函数，我们的估计值都显示为半参数效率。此外，作为滋扰估计器的说明，我们考虑逆概率加权型核平滑估计，涉及未知的协变量转换机制，并在高维情景新颖的情况下建立其统一的收敛速率，这应该是独立的兴趣。两种模拟和实际数据的数值结果验证了我们对其监督对应物的优势，了解鲁棒性和效率。

可变重要性措施是分析随机林的黑盒机制的主要工具。虽然平均值降低精度（MDA）被广泛接受作为随机森林最有效的可变重要性措施，但对其统计特性知之甚少。实际上，确切的MDA定义在主随机林软件上变化。在本文中，我们的目标是严格分析主要MDA实施的行为。因此，我们在数学上正式地形化各种实施的MDA算法，然后在样本量增加时建立限制。特别是，我们在三个组件中分解了这些限制：第一个与Sobol指数有关，这是对响应方差的协变度贡献的明确定义措施，广泛应用于敏感性分析领域，而不是TheThird术语，谁的价值随着协变量的依赖而增加。因此，我们理论上证明了MDA在协变者依赖时，MDA不会瞄准正确的数量，这是实验发现的事实。为了解决这个问题，我们为随机林，Sobol-MDA定义了一个新的重要性测量，它修复了原始MDA的缺陷。我们证明了Sobol-MDA的一致性，并表明Sobol-MDA在模拟和实际数据上经验胜过其竞争对手。 R和C ++中的开源实现可在线获取。

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。

我们解决了如何在没有严格缩放条件的情况下实现分布式分数回归中最佳推断的问题。由于分位数回归（QR）损失函数的非平滑性质，这是具有挑战性的，这使现有方法的使用无效。难度通过应用于本地（每个数据源）和全局目标函数的双光滑方法解决。尽管依赖局部和全球平滑参数的精致组合，但分位数回归模型是完全参数的，从而促进了解释。在低维度中，我们为顺序定义的分布式QR估计器建立了有限样本的理论框架。这揭示了通信成本和统计错误之间的权衡。我们进一步讨论并比较了基于WALD和得分型测试和重采样技术的反转的几种替代置信集结构，并详细介绍了对更极端分数系数有效的改进。在高维度中，采用了一个稀疏的框架，其中提出的双滑目标功能与$ \ ell_1 $ -penalty相辅相成。我们表明，相应的分布式QR估计器在近乎恒定的通信回合之后达到了全球收敛率。一项彻底的模拟研究进一步阐明了我们的发现。