解决公平问题对于安全使用机器学习算法来支持对人们的生活产生关键影响的决策，例如雇用工作，儿童虐待，疾病诊断，贷款授予等。过去十年，例如统计奇偶校验和均衡的赔率。然而，最新的公平概念是基于因果关系的，反映了现在广泛接受的想法，即使用因果关系对于适当解决公平问题是必要的。本文研究了基于因果关系的公平概念的详尽清单，并研究了其在现实情况下的适用性。由于大多数基于因果关系的公平概念都是根据不可观察的数量（例如干预措施和反事实）来定义的，因此它们在实践中的部署需要使用观察数据来计算或估计这些数量。本文提供了有关从观察数据（包括可识别性（Pearl的SCM框架））和估计（潜在结果框架）中推断出因果量的不同方法的全面报告。该调查论文的主要贡献是（1）指南，旨在在特定的现实情况下帮助选择合适的公平概念，以及（2）根据Pearl的因果关系阶梯的公平概念的排名，表明它很难部署。实践中的每个概念。

机器学习算法通常会对少数族裔和代表性不足的子人群产生偏见的结果/预测。因此，公平是基于机器学习技术的大规模应用的重要要求。最常用的公平概念（例如统计平等，均衡的几率，预测奇偶等）是观察性的，并且依赖于变量之间的仅相关性。在统计异常（例如辛普森或伯克森的悖论）的情况下，这些概念无法识别偏差。基于因果关系的公平概念（例如反事实公平，无歧视歧视等）对此类异常免疫，因此更可靠地评估公平性。但是，基于因果关系的公平概念的问题是，它们是根据数量（例如因果，反事实和特定于路径特定效应）定义的，这些概念并非总是可衡量的。这被称为可识别性问题，是因果推理文献中大量工作的主题。本文是对机器学习公平性特别相关的主要可识别性结果的汇编。使用大量示例和因果图说明了结果。公平研究人员，从业人员和政策制定者正在考虑使用基于因果关系的公平概念，并说明主要可识别性结果，这本文特别感兴趣。

公平性是确保机器学习（ML）预测系统不会歧视特定个人或整个子人群（尤其是少数族裔）的重要要求。鉴于观察公平概念的固有主观性，文献中已经引入了几种公平概念。本文是一项调查，说明了通过大量示例和场景之间的公平概念之间的微妙之处。此外，与文献中的其他调查不同，它解决了以下问题：哪种公平概念最适合给定的现实世界情景，为什么？我们试图回答这个问题的尝试包括（1）确定手头现实世界情景的一组与公平相关的特征，（2）分析每个公平概念的行为，然后（3）适合这两个元素以推荐每个特定设置中最合适的公平概念。结果总结在决策图中可以由从业者和政策制定者使用，以导航相对较大的ML目录。

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。

考虑基于AI和ML的决策对这些新兴技术的安全和可接受的使用的决策的社会和道德后果至关重要。公平，特别是保证ML决定不会导致对个人或少数群体的歧视。使用因果关系，可以更好地实现和衡量可靠的公平/歧视，从而更好地实现了敏感属性（例如性别，种族，宗教等）之间的因果关系，仅仅是仅仅是关联，例如性别，种族，宗教等（例如，雇用工作，贷款授予等） ）。然而，对因果关系解决公平性的最大障碍是因果模型的不可用（通常表示为因果图）。文献中现有的因果关系方法并不能解决此问题，并假设可获得因果模型。在本文中，我们没有做出这样的假设，并且我们回顾了从可观察数据中发现因果关系的主要算法。这项研究的重点是因果发现及其对公平性的影响。特别是，我们展示了不同的因果发现方法如何导致不同的因果模型，最重要的是，即使因果模型之间的轻微差异如何对公平/歧视结论产生重大影响。通过使用合成和标准公平基准数据集的经验分析来巩固这些结果。这项研究的主要目标是强调因果关系使用因果关系适当解决公平性的因果发现步骤的重要性。

因果推理在人类如何理解世界并在日常生活中做出决策中具有必不可少的作用。虽然20美元的$ Century Science是因为使因果的主张过于强大且无法实现，但第21美元的$ Century是由因果关系的数学化和引入非确定性原因概念的因果关系的重返标志的。 \ cite {illari2011look}。除了其流行病学，政治和社会科学方面的常见用例外，因果关系对于在法律和日常意义上评估自动决定的公平性至关重要。我们提供了为什么因果关系对于公平评估特别重要的论点和例子。特别是，我们指出了非因果预测的社会影响以及依赖因果主张的法律反歧视过程。最后，我们讨论了在实际情况以及可能的解决方案中应用因果关系的挑战和局限性。

Machine learning can impact people with legal or ethical consequences when it is used to automate decisions in areas such as insurance, lending, hiring, and predictive policing. In many of these scenarios, previous decisions have been made that are unfairly biased against certain subpopulations, for example those of a particular race, gender, or sexual orientation. Since this past data may be biased, machine learning predictors must account for this to avoid perpetuating or creating discriminatory practices. In this paper, we develop a framework for modeling fairness using tools from causal inference. Our definition of counterfactual fairness captures the intuition that a decision is fair towards an individual if it is the same in (a) the actual world and (b) a counterfactual world where the individual belonged to a different demographic group. We demonstrate our framework on a real-world problem of fair prediction of success in law school. * Equal contribution. This work was done while JL was a Research Fellow at the Alan Turing Institute. 2 https://obamawhitehouse.archives.gov/blog/2016/05/04/big-risks-big-opportunities-intersection-big-dataand-civil-rights 31st Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 2017),

近年来，解决机器学习公平性（ML）和自动决策的问题引起了处理人工智能的科学社区的大量关注。已经提出了ML中的公平定义的一种不同的定义，认为不同概念是影响人口中个人的“公平决定”的不同概念。这些概念之间的精确差异，含义和“正交性”尚未在文献中完全分析。在这项工作中，我们试图在这个解释中汲取一些订单。

This review presents empirical researchers with recent advances in causal inference, and stresses the paradigmatic shifts that must be undertaken in moving from traditional statistical analysis to causal analysis of multivariate data. Special emphasis is placed on the assumptions that underly all causal inferences, the languages used in formulating those assumptions, the conditional nature of all causal and counterfactual claims, and the methods that have been developed for the assessment of such claims. These advances are illustrated using a general theory of causation based on the Structural Causal Model (SCM) described in Pearl (2000a), which subsumes and unifies other approaches to causation, and provides a coherent mathematical foundation for the analysis of causes and counterfactuals. In particular, the paper surveys the development of mathematical tools for inferring (from a combination of data and assumptions) answers to three types of causal queries: (1) queries about the effects of potential interventions, (also called "causal effects" or "policy evaluation") (2) queries about probabilities of counterfactuals, (including assessment of "regret," "attribution" or "causes of effects") and (3) queries about direct and indirect effects (also known as "mediation"). Finally, the paper defines the formal and conceptual relationships between the structural and potential-outcome frameworks and presents tools for a symbiotic analysis that uses the strong features of both.

算法公平吸引了机器学习社区越来越多的关注。文献中提出了各种定义，但是它们之间的差异和联系并未清楚地解决。在本文中，我们回顾并反思了机器学习文献中先前提出的各种公平概念，并试图与道德和政治哲学，尤其是正义理论的论点建立联系。我们还从动态的角度考虑了公平的询问，并进一步考虑了当前预测和决策引起的长期影响。鉴于特征公平性的差异，我们提出了一个流程图，该流程图包括对数据生成过程，预测结果和诱导的影响的不同类型的公平询问的隐式假设和预期结果。本文展示了与任务相匹配的重要性（人们希望执行哪种公平性）和实现预期目的的手段（公平分析的范围是什么，什么是适当的分析计划）。

A significant body of research in the data sciences considers unfair discrimination against social categories such as race or gender that could occur or be amplified as a result of algorithmic decisions. Simultaneously, real-world disparities continue to exist, even before algorithmic decisions are made. In this work, we draw on insights from the social sciences brought into the realm of causal modeling and constrained optimization, and develop a novel algorithmic framework for tackling pre-existing real-world disparities. The purpose of our framework, which we call the "impact remediation framework," is to measure real-world disparities and discover the optimal intervention policies that could help improve equity or access to opportunity for those who are underserved with respect to an outcome of interest. We develop a disaggregated approach to tackling pre-existing disparities that relaxes the typical set of assumptions required for the use of social categories in structural causal models. Our approach flexibly incorporates counterfactuals and is compatible with various ontological assumptions about the nature of social categories. We demonstrate impact remediation with a hypothetical case study and compare our disaggregated approach to an existing state-of-the-art approach, comparing its structure and resulting policy recommendations. In contrast to most work on optimal policy learning, we explore disparity reduction itself as an objective, explicitly focusing the power of algorithms on reducing inequality.

分类，一种重大研究的数据驱动机器学习任务，驱动越来越多的预测系统，涉及批准的人类决策，如贷款批准和犯罪风险评估。然而，分类器经常展示歧视性行为，特别是当呈现有偏置数据时。因此，分类公平已经成为一个高优先级的研究区。数据管理研究显示与数据和算法公平有关的主题的增加和兴趣，包括公平分类的主题。公平分类的跨学科努力，具有最大存在的机器学习研究，导致大量的公平概念和尚未系统地评估和比较的广泛方法。在本文中，我们对13个公平分类方法和额外变种的广泛分析，超越，公平，公平，效率，可扩展性，对数据误差的鲁棒性，对潜在的ML模型，数据效率和使用各种指标的稳定性的敏感性和稳定性现实世界数据集。我们的分析突出了对不同指标的影响的新颖见解和高级方法特征对不同方面的性能方面。我们还讨论了选择适合不同实际设置的方法的一般原则，并确定以数据管理为中心的解决方案可能产生最大影响的区域。

Algorithm fairness has started to attract the attention of researchers in AI, Software Engineering and Law communities, with more than twenty different notions of fairness proposed in the last few years. Yet, there is no clear agreement on which definition to apply in each situation. Moreover, the detailed differences between multiple definitions are difficult to grasp. To address this issue, this paper collects the most prominent definitions of fairness for the algorithmic classification problem, explains the rationale behind these definitions, and demonstrates each of them on a single unifying case-study. Our analysis intuitively explains why the same case can be considered fair according to some definitions and unfair according to others.

因果推理中的一个重要问题是分解治疗结果对不同因果途径的总效果，并量化每种途径中的因果效果。例如，在因果公平中，作为男性雇员的总效果（即治疗）构成了对年收入（即，结果）的直接影响，并通过员工的职业（即调解人）和间接效应。因果调解分析（CMA）是一个正式的统计框架，用于揭示这种潜在的因果机制。 CMA在观察研究中的一个主要挑战正在处理混淆，导致治疗，调解员和结果之间导致虚假因果关系的变量。常规方法假设暗示可以测量所有混血器的顺序忽略性，这在实践中通常是不可核法的。这项工作旨在规避严格的顺序忽略性假设，并考虑隐藏的混杂。借鉴代理策略和深度学习的最新进展，我们建议同时揭示特征隐藏混杂物的潜在变量，并估计因果效应。使用合成和半合成数据集的经验评估验证了所提出的方法的有效性。我们进一步展示了我们对因果公平分析的方法的潜力。

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。

因果推断能够估计治疗效果（即，治疗结果的因果效果），使各个领域的决策受益。本研究中的一个基本挑战是观察数据的治疗偏见。为了提高对因果推断的观察研究的有效性，基于代表的方法作为最先进的方法表明了治疗效果估计的卓越性能。基于大多数基于表示的方法假设所有观察到的协变量都是预处理的（即，不受治疗影响的影响），并学习这些观察到的协变量的平衡表示，以估算治疗效果。不幸的是，这种假设往往在实践中往往是太严格的要求，因为一些协调因子是通过对治疗的干预进行改变（即，后治疗）来改变。相比之下，从不变的协变量中学到的平衡表示因此偏置治疗效果估计。

数据科学任务可以被视为了解数据的感觉或测试关于它的假设。从数据推断的结论可以极大地指导我们做出信息做出决定。大数据使我们能够与机器学习结合执行无数的预测任务，例如鉴定患有某种疾病的高风险患者并采取可预防措施。然而，医疗保健从业者不仅仅是仅仅预测的内容 - 它们也对输入特征和临床结果之间的原因关系感兴趣。了解这些关系将有助于医生治疗患者并有效降低风险。通常通过随机对照试验鉴定因果关系。当科学家和研究人员转向观察研究并试图吸引推论时，这种试验通常是不可行的。然而，观察性研究也可能受到选择和/或混淆偏差的影响，这可能导致错误的因果结论。在本章中，我们将尝试突出传统机器学习和统计方法中可能出现的一些缺点，以分析观察数据，特别是在医疗保健数据分析域中。我们将讨论因果化推理和方法，以发现医疗领域的观测研究原因。此外，我们将展示因果推断在解决某些普通机器学习问题等中的应用，例如缺少数据和模型可运输性。最后，我们将讨论将加强学习与因果关系相结合的可能性，作为反击偏见的一种方式。

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。

科学研究的基本目标是了解因果关系。然而，尽管因果关系在生活和社会科学中的重要作用，但在自然语言处理（NLP）中并不具有相同的重要性，而自然语言处理（NLP）传统上更加重视预测任务。这种区别开始逐渐消失，随着因果推理和语言处理的融合，跨学科研究的新兴领域。尽管如此，关于NLP因果关系的研究仍然散布在没有统一的定义，基准数据集的情况下，并清楚地表达了将因果推论应用于文本领域的挑战和机遇，并具有其独特的属性。在这项调查中，我们巩固了整个学术领域的研究，并将其置于更广泛的NLP景观中。我们介绍了用文本估算因果效应的统计挑战，其中包含文本用作结果，治疗或解决混杂问题的设置。此外，我们探讨了因果推理的潜在用途，以提高NLP模型的鲁棒性，公平性和解释性。因此，我们提供了NLP社区因果推断的统一概述。

Causal learning has attracted much attention in recent years because causality reveals the essential relationship between things and indicates how the world progresses. However, there are many problems and bottlenecks in traditional causal learning methods, such as high-dimensional unstructured variables, combinatorial optimization problems, unknown intervention, unobserved confounders, selection bias and estimation bias. Deep causal learning, that is, causal learning based on deep neural networks, brings new insights for addressing these problems. While many deep learning-based causal discovery and causal inference methods have been proposed, there is a lack of reviews exploring the internal mechanism of deep learning to improve causal learning. In this article, we comprehensively review how deep learning can contribute to causal learning by addressing conventional challenges from three aspects: representation, discovery, and inference. We point out that deep causal learning is important for the theoretical extension and application expansion of causal science and is also an indispensable part of general artificial intelligence. We conclude the article with a summary of open issues and potential directions for future work.