对混淆偏差的缺乏非参数统计测试显着妨碍了在许多研究领域的强大，有效和更广泛的预测模型的开发。在这里，我提出了部分和完整的混淆测试，对于给定的混淆变量，分别探测了unconfound和完全混淆的模型的零假设。测试为I型错误和高统计功率提供了严格控制，即使对于非正常和非线性依赖预测，通常可以在机器学习中看到。应用拟议的测试对来自人类联系项目的功能性大脑连接数据培训的模型和自闭症脑成像数据交换数据集显示出以前未报告或发现难以纠正的混淆，以便在最先进的混乱缓解方法。在Package MLConfound（https://mlconfound.readthedocs.io）中实施的测试可以帮助评估和改进预测模型的概括性和神经生物学有效性，从而促进临床有用的机器学习生物标志物的发展。

因果关系是理解世界的科学努力的基本组成部分。不幸的是，在心理学和社会科学中，因果关系仍然是禁忌。由于越来越多的建议采用因果方法进行研究的重要性，我们重新制定了心理学研究方法的典型方法，以使不可避免的因果理论与其余的研究渠道协调。我们提出了一个新的过程，该过程始于从因果发现和机器学习的融合中纳入技术的发展，验证和透明的理论形式规范。然后，我们提出将完全指定的理论模型的复杂性降低到与给定目标假设相关的基本子模型中的方法。从这里，我们确定利息量是否可以从数据中估算出来，如果是的，则建议使用半参数机器学习方法来估计因果关系。总体目标是介绍新的研究管道，该管道可以（a）促进与测试因果理论的愿望兼容的科学询问（b）鼓励我们的理论透明代表作为明确的数学对象，（c）将我们的统计模型绑定到我们的统计模型中该理论的特定属性，因此减少了理论到模型间隙通常引起的规范不足问题，以及（d）产生因果关系和可重复性的结果和估计。通过具有现实世界数据的教学示例来证明该过程，我们以摘要和讨论来结论。

在2015年和2019年之间，地平线的成员2020年资助的创新培训网络名为“Amva4newphysics”，研究了高能量物理问题的先进多变量分析方法和统计学习工具的定制和应用，并开发了完全新的。其中许多方法已成功地用于提高Cern大型Hadron撞机的地图集和CMS实验所执行的数据分析的敏感性;其他几个人，仍然在测试阶段，承诺进一步提高基本物理参数测量的精确度以及新现象的搜索范围。在本文中，在研究和开发的那些中，最相关的新工具以及对其性能的评估。

大脑中的功能连接通常由加权网络表示，其中节点表示大脑中的位置，并且边缘表示这些位置之间的连接强度。分析这些数据的一个挑战是各个边缘水平的推断并不是特别生物学上的意义;解释在所谓的功能区域或节点组和它们之间的连接级别更有用;这通常被称为神经影像学文献中的“图表感知”推断。然而，汇集功能区域导致信息损失和更低的准确性。另一个挑战是主题内的边缘权重之间的相关性，这使得基于独立假设不可靠的推断。我们通过线性混合效果模型来解决这两种挑战，该挑战涉及功能区域和边缘依赖性，同时仍然建模各个边缘权重，以避免丢失信息。该模型允许将两种群体（例如患者和健康对照）进行比较，无论是在功能区水平和各个边缘水平，都导致生物学上有意义的解释。我们将该模型符合精神分裂症和健康控制的休息状态FMRI数据，获得与精神分裂症文献一致的可解释结果。

推断线性关系是许多实证研究的核心。线性依赖性的度量应正确评估关系的强度，并符合对人群的有意义。 Pearson的相关系数（PCC）是双变量关系的\ textit {De-facto}量度，这两个方面都缺乏。估计的强度$ r $可能是由于样本量有限和数据非正态而可能错误的。在统计显着性测试的背景下，将$ p $值作为后验概率的错误解释导致I型错误 - 这是一个具有显着性测试的一般问题，扩展到PCC。同时测试多个假设时，此类错误会加剧。为了解决这些问题，我们提出了一种基于机器学习的预测数据校准方法，从本质上讲，该方法在预期的线性关系上进行了研究。使用校准数据计算PCC会产生校准的$ P $值，可以将其解释为后验概率以及校准的$ r $估计值，这是其他方法未提供的所需结果。此外，随之而来的对每个测试的独立解释可能会消除对多次测试校正的需求。我们提供了使用多个模拟和对现实世界数据的应用，有利于提出的方法的经验证据。

许多现代数据集，从神经影像和地统计数据等领域都以张量数据的随机样本的形式来说，这可以被理解为对光滑的多维随机功能的嘈杂观察。来自功能数据分析的大多数传统技术被维度的诅咒困扰，并且随着域的尺寸增加而迅速变得棘手。在本文中，我们提出了一种学习从多维功能数据样本的持续陈述的框架，这些功能是免受诅咒的几种表现形式的。这些表示由一组可分离的基函数构造，该函数被定义为最佳地适应数据。我们表明，通过仔细定义的数据的仔细定义的减少转换的张测仪分解可以有效地解决所得到的估计问题。使用基于差分运算符的惩罚，并入粗糙的正则化。也建立了相关的理论性质。在模拟研究中证明了我们对竞争方法的方法的优点。我们在神经影像动物中得出真正的数据应用。

科学家经常使用观察时间序列数据来研究从气候变化到民间冲突再到大脑活动的复杂自然过程。但是对这些数据的回归分析通常假定简单的动态。深度学习的最新进展使从语音理解到核物理学再到竞争性游戏的复杂过程模型的表现实现了令人震惊的改进。但是深度学习通常不用于科学分析。在这里，我们通过证明可以使用深度学习，不仅可以模仿，而且可以分析复杂的过程，在保留可解释性的同时提供灵活的功能近似。我们的方法 - 连续时间反向逆转回归神经网络（CDRNN） - 放宽标准简化的假设（例如，线性，平稳性和同质性）对于许多自然系统来说是不可信的，并且可能会严重影响数据的解释。我们评估CDRNNS对人类语言处理，这是一个具有复杂连续动态的领域。我们证明了行为和神经影像数据中预测可能性的显着改善，我们表明CDRNN可以在探索性分析中灵活发现新型模式，在确认分析中对可能的混杂性提供强有力的控制，并打开否则就可以使用这些问题来进行研究，这些问题否则就可以使用这些问题来进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究，而这些问题否则就可以使用这些问题进行研究。观察数据。

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。

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。

尽管电子健康记录是生物医学研究的丰富数据来源，但这些系统并未在医疗环境中统一地实施，并且由于医疗保健碎片化和孤立的电子健康记录之间缺乏互操作性，可能缺少大量数据。考虑到缺少数据的案例的删除可能会在随后的分析中引起严重的偏见，因此，一些作者更喜欢采用多重插补策略来恢复缺失的信息。不幸的是，尽管几项文献作品已经通过使用现在可以自由研究的任何不同的多个归档算法记录了有希望的结果，但尚无共识，MI算法效果最好。除了选择MI策略之外，归纳算法及其应用程序设置的选择也至关重要且具有挑战性。在本文中，受鲁宾和范布伦的开创性作品的启发，我们提出了一个方法学框架，可以应用于评估和比较多种多个插补技术，旨在选择用于计算临床研究工作中最有效的推断。我们的框架已被应用于验证和扩展较大的队列，这是我们在先前的文献研究中提出的结果，我们在其中评估了关键患者的描述符和Covid-19的影响在2型糖尿病患者中的影响，其数据为2型糖尿病，其数据为2型糖尿病由国家共同队列合作飞地提供。

The widely used 'Counterfactual' definition of Causal Effects was derived for unbiasedness and accuracy - and not generalizability. We propose a simple definition for the External Validity (EV) of Interventions and Counterfactuals. The definition leads to EV statistics for individual counterfactuals, and to non-parametric effect estimators for sets of counterfactuals (i.e., for samples). We use this new definition to discuss several issues that have baffled the original counterfactual formulation: out-of-sample validity, reliance on independence assumptions or estimation, concurrent estimation of multiple effects and full-models, bias-variance tradeoffs, statistical power, omitted variables, and connections to current predictive and explaining techniques. Methodologically, the definition also allows us to replace the parametric, and generally ill-posed, estimation problems that followed the counterfactual definition by combinatorial enumeration problems in non-experimental samples. We use this framework to generalize popular supervised, explaining, and causal-effect estimators, improving their performance across three dimensions (External Validity, Unconfoundness and Accuracy) and enabling their use in non-i.i.d. samples. We demonstrate gains over the state-of-the-art in out-of-sample prediction, intervention effect prediction and causal effect estimation tasks. The COVID19 pandemic highlighted the need for learning solutions to provide general predictions in small samples - many times with missing variables. We also demonstrate applications in this pressing problem.

Model-X条件随机测试是有条件独立性测试的通用框架，解锁了新的可能性，以发现与感兴趣的响应有条件相关的特征，同时控制I型错误率。该测试的一个吸引力的优势是，它可以与任何机器学习模型一起使用来设计强大的测试统计数据。反过来，Model-X文献中的常见实践是使用机器学习模型形成测试统计量，经过培训，以最大程度地提高预测精度，希望能够获得良好的功率测试。但是，这里的理想目标是推动模型（在训练期间）以最大程度地提高测试功能，而不仅仅是预测精度。在本文中，我们通过首次引入新型模型拟合方案来弥合这一差距，这些方案旨在明确提高Model-X测试的功能。这是通过引入新的成本函数来完成的，该功能旨在最大化用于衡量有条件独立性违反的测试统计量。使用合成和真实的数据集，我们证明了我们提出的损失函数与各种基本预测模型（Lasso，弹性网和深神经网络）的组合始终增加所获得的正确发现的数量，同时维持I型错误率下的I型错误率控制。

本文开发了新型的保形方法，以测试是否从与参考集相同的分布中采样了新的观察结果。以创新的方式将感应性和偏置的共形推断融合，所描述的方法可以以原则性的方式基于已知的分布式数据的依赖侧信息重新权重标准p值，并且可以自动利用最强大的优势来自任何一级和二进制分类器的模型。该解决方案可以通过样品分裂或通过新颖的转置交叉验证+方案来实现，该方案与现有的交叉验证方法相比，由于更严格的保证，这也可能在共形推理的其他应用中有用。在研究错误的发现率控制和在具有几个可能的离群值的多个测试框架内的虚假发现率控制和功率之后，提出的解决方案被证明通过模拟以及用于图像识别和表格数据的应用超过了标准的共形P值。

联合分析是一种流行的实验设计，用于测量多维偏好。研究人员研究了在控制其他相关因素的同时如何影响决策。当前，存在两种方法学方法来分析联合实验的数据。第一个重点是估计每个因素的平均边际效应，同时平均其他因素。尽管这允许基于直接设计的估计，但结果严重取决于其他因素的分布以及相互作用效应的汇总方式。一种基于模型的替代方法可以计算各种兴趣，但要求研究人员正确指定模型，这是与许多因素和可能的相互作用的联合分析的挑战性任务。此外，在合并相互作用时，常用的逻辑回归即使具有适度的因素，统计特性也很差。我们提出了一种基于条件随机测试的新假设检验方法，以回答联合分析的最基本问题：考虑到其他因素，感兴趣的因素是否重要？我们的方法仅基于因素的随机化，因此没有假设。但是，它允许研究人员使用任何测试统计量，包括基于复杂的机器学习算法的统计量。结果，我们能够结合现有的基于设计和基于模型的方法的优势。我们通过对移民偏好和政治候选评估的联合分析来说明拟议的方法。我们还扩展了提出的方法来测试联合分析中常用的规律性假设。可以使用开源软件包来实施建议的方法。

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。

为了进一步开发异构治疗效果的统计推理问题，本文在Breiman（2001）随机林树（RFT）和Wager等人的情况下建立了使用古典的优秀统计属性来参数化非参数问题的（2018）因果树。oLs和基于协变量分数的局部线性间隔的划分，同时保留随机林树木，具有可构造的置信区间和渐近常数特性的优势[athey和Imbens（2016），efron（2014），赌第等（2014年）\ citep {wagert2014Asymptotic}，我们根据固定规则提出了一个决策树，根据固定规则与本地样本的多项式估计相结合，我们称之为临时局部线性因果树（QLPRT）和林（QLPRF）。

The viral load of patients infected with SARS-CoV-2 varies on logarithmic scales and possibly with age. Controversial claims have been made in the literature regarding whether the viral load distribution actually depends on the age of the patients. Such a dependence would have implications for the COVID-19 spreading mechanism, the age-dependent immune system reaction, and thus for policymaking. We hereby develop a method to analyze viral-load distribution data as a function of the patients' age within a flexible, non-parametric, hierarchical, Bayesian, and causal model. The causal nature of the developed reconstruction additionally allows to test for bias in the data. This could be due to, e.g., bias in patient-testing and data collection or systematic errors in the measurement of the viral load. We perform these tests by calculating the Bayesian evidence for each implied possible causal direction. The possibility of testing for bias in data collection and identifying causal directions can be very useful in other contexts as well. For this reason we make our model freely available. When applied to publicly available age and SARS-CoV-2 viral load data, we find a statistically significant increase in the viral load with age, but only for one of the two analyzed datasets. If we consider this dataset, and based on the current understanding of viral load's impact on patients' infectivity, we expect a non-negligible difference in the infectivity of different age groups. This difference is nonetheless too small to justify considering any age group as noninfectious.

经典的错误发现率（FDR）控制程序提供了强大而可解释的保证，而它们通常缺乏灵活性。另一方面，最近的机器学习分类算法是基于随机森林（RF）或神经网络（NN）的算法，具有出色的实践表现，但缺乏解释和理论保证。在本文中，我们通过引入新的自适应新颖性检测程序（称为Adadetect）来使这两个相遇。它将多个测试文献的最新作品范围扩展到高维度的范围，尤其是Yang等人的范围。 （2021）。显示AD​​ADETECT既可以强烈控制FDR，又具有在特定意义上模仿甲骨文之一的力量。理论结果，几个基准数据集上的数值实验以及对天体物理数据的应用，我们的方法的兴趣和有效性得到了证明。特别是，虽然可以将AdadEtect与任何分类器结合使用，但它在带有RF的现实世界数据集以及带有NN的图像上特别有效。

大多数机器学习算法由一个或多个超参数配置，必须仔细选择并且通常会影响性能。为避免耗时和不可递销的手动试验和错误过程来查找性能良好的超参数配置，可以采用各种自动超参数优化（HPO）方法，例如，基于监督机器学习的重新采样误差估计。本文介绍了HPO后，本文审查了重要的HPO方法，如网格或随机搜索，进化算法，贝叶斯优化，超带和赛车。它给出了关于进行HPO的重要选择的实用建议，包括HPO算法本身，性能评估，如何将HPO与ML管道，运行时改进和并行化结合起来。这项工作伴随着附录，其中包含关于R和Python的特定软件包的信息，以及用于特定学习算法的信息和推荐的超参数搜索空间。我们还提供笔记本电脑，这些笔记本展示了这项工作的概念作为补充文件。

Pooling publicly-available MRI data from multiple sites allows to assemble extensive groups of subjects, increase statistical power, and promote data reuse with machine learning techniques. The harmonization of multicenter data is necessary to reduce the confounding effect associated with non-biological sources of variability in the data. However, when applied to the entire dataset before machine learning, the harmonization leads to data leakage, because information outside the training set may affect model building, and potentially falsely overestimate performance. We propose a 1) measurement of the efficacy of data harmonization; 2) harmonizer transformer, i.e., an implementation of the ComBat harmonization allowing its encapsulation among the preprocessing steps of a machine learning pipeline, avoiding data leakage. We tested these tools using brain T1-weighted MRI data from 1740 healthy subjects acquired at 36 sites. After harmonization, the site effect was removed or reduced, and we measured the data leakage effect in predicting individual age from MRI data, highlighting that introducing the harmonizer transformer into a machine learning pipeline allows for avoiding data leakage.