科学家经常优先考虑从数据学习，而不是培训最佳模型；但是，机器学习的研究通常优先考虑后者。边际特征重要的方法（例如边际贡献特征重要性（MCI））试图通过提供一个有用的框架来打破这种趋势，以量化以可解释方式量化数据的关系。在这项工作中，我们概括了MCI的框架，同时旨在通过引入超级边界特征的重要性（UMFI）来提高性能和运行时。为此，我们证明可以通过应用AI公平文献中的预处理方法直接计算UMFI来删除功能集中的依赖项。我们在真实和模拟数据上显示了UMFI至少和MCI的性能，在存在相关相互作用和无关特征的情况下，性能明显更好，同时大大降低了MCI的指数运行时间为超线性。

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。

Selecting a minimal feature set that is maximally informative about a target variable is a central task in machine learning and statistics. Information theory provides a powerful framework for formulating feature selection algorithms -- yet, a rigorous, information-theoretic definition of feature relevancy, which accounts for feature interactions such as redundant and synergistic contributions, is still missing. We argue that this lack is inherent to classical information theory which does not provide measures to decompose the information a set of variables provides about a target into unique, redundant, and synergistic contributions. Such a decomposition has been introduced only recently by the partial information decomposition (PID) framework. Using PID, we clarify why feature selection is a conceptually difficult problem when approached using information theory and provide a novel definition of feature relevancy and redundancy in PID terms. From this definition, we show that the conditional mutual information (CMI) maximizes relevancy while minimizing redundancy and propose an iterative, CMI-based algorithm for practical feature selection. We demonstrate the power of our CMI-based algorithm in comparison to the unconditional mutual information on benchmark examples and provide corresponding PID estimates to highlight how PID allows to quantify information contribution of features and their interactions in feature-selection problems.

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。

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。

This paper proposes a new algorithm for an automatic variable selection procedure in High Dimensional Graphical Models. The algorithm selects the relevant variables for the node of interest on the basis of mutual information. Several contributions in literature have investigated the use of mutual information in selecting the appropriate number of relevant features in a large data-set, but most of them have focused on binary outcomes or required high computational effort. The algorithm here proposed overcomes these drawbacks as it is an extension of Chow and Liu's algorithm. Once, the probabilistic structure of a High Dimensional Graphical Model is determined via the said algorithm, the best path-step, including variables with the most explanatory/predictive power for a variable of interest, is determined via the computation of the entropy coefficient of determination. The latter, being based on the notion of (symmetric) Kullback-Leibler divergence, turns out to be closely connected to the mutual information of the involved variables. The application of the algorithm to a wide range of real-word and publicly data-sets has highlighted its potential and greater effectiveness compared to alternative extant methods.

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。

转移学习中最关键的问题之一是域适应的任务，其中目标是将在一个或多个源域中培训的算法应用于不同（但相关）的目标域。本文在域内存在协变量转变时，涉及域适应。解决此问题的现有因果推断方法的主要限制之一是可扩展性。为了克服这种困难，我们提出了一种避免穷举搜索的算法，并识别基于Markov毯子发现的源和目标域的不变因果特征。 SCTL不需要先前了解因果结构，干预措施的类型或干预目标。有一个与SCTL相关的内在位置，使其实现实际上可扩展且稳健，因为本地因果发现增加了计算独立性测试的力量，并使域适配的任务进行了计算地进行了易行的。我们通过低维和高维设置中的合成和实际数据集显示SCTL的可扩展性和稳健性。

无论是在功能选择的领域还是可解释的AI领域，都有基于其重要性的“排名”功能的愿望。然后可以将这种功能重要的排名用于：（1）减少数据集大小或（2）解释机器学习模型。但是，在文献中，这种特征排名没有以系统的，一致的方式评估。许多论文都有不同的方式来争论哪些具有重要性排名最佳的特征。本文通过提出一种新的评估方法来填补这一空白。通过使用合成数据集，可以事先知道特征重要性得分，从而可以进行更系统的评估。为了促进使用新方法的大规模实验，在Python建造了一个名为FSEVAL的基准测定框架。该框架允许并行运行实验，并在HPC系统上的计算机上分布。通过与名为“权重和偏见”的在线平台集成，可以在实时仪表板上进行交互探索图表。该软件作为开源软件发布，并在PYPI平台上以包裹发行。该研究结束时，探索了一个这样的大规模实验，以在许多方面找到参与算法的优势和劣势。

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。

测量黑匣子预测算法中变量重要性的最流行方法是利用合成输入，这些输入结合了来自多个受试者的预测变量。这些输入可能是不可能的，身体上不可能的，甚至在逻辑上是不可能的。结果，对这种情况的预测可以基于数据，这与对黑匣子的训练非常不同。我们认为，当解释使用此类值时，用户不能相信预测算法的决定的解释。取而代之的是，我们主张一种称为同类沙普利的方法，该方法基于经济游戏理论，与大多数其他游戏理论方法不同，它仅使用实际观察到的数据来量化可变重要性。莎普利队的同伙通过缩小判断的主题的缩小，被认为与一个或多个功能上的目标主题相似。如果使用它来缩小队列对队列平均值有很大的不同，则功能很重要。我们在算法公平问题上进行了说明，其中必须将重要性归因于未经训练模型的保护变量。对于每个主题和每个预测变量，我们可以计算该预测因子对受试者的预测响应或对其实际响应的重要性。这些值可以汇总，例如在所有黑色受试者上，我们提出了一个贝叶斯引导程序来量化个人和骨料莎普利值的不确定性。

开发了一种使用多个辅助变量的非静止空间建模算法。它将Geodatistics与Simitile随机林结合起来，以提供一种新的插值和随机仿真算法。本文介绍了该方法，并表明它具有与施加地统计学建模和定量随机森林的那些相似的一致性结果。该方法允许嵌入更简单的插值技术，例如Kriging，以进一步调节模型。该算法通过估计每个目标位置处的目标变量的条件分布来工作。这种分布的家庭称为目标变量的包络。由此，可以获得空间估计，定量和不确定性。还开发了一种从包络产生条件模拟的算法。随着它们从信封中的样本，因此通过相对变化的次要变量，趋势和可变性的相对变化局部地影响。

相关特征的识别，即确定系统的过程或属性的驱动变量，是对具有大量变量的数据集分析的重要组成部分。量化这些特征相关性的数学严格方法是相互信息。相互信息确定特征在其联合相互依赖与感兴趣的财产方面的相关性。但是，相互信息需要作为输入概率分布，这不能可靠地从连续分布（例如长度或能量）等连续分布中估计。在这里，我们介绍了总累积共同信息（TCMI），这是对相互依赖关系的相关性的度量，该信息将相互信息扩展到基于累积概率分布的连续分布的随机变量。 TCMI是一种非参数，鲁棒和确定性的度量，可促进具有不同基数的特征集之间的比较和排名。 TCMI诱导的排名允许特征选择，即，考虑到数据示例的数量以及一组变量集的基数，识别与感兴趣属性的非线性统计学相关的变量集的识别。我们通过模拟数据评估测量的性能，将其性能与类似的多元依赖性度量进行比较，并在一组标准数据集中证明了我们的功能选择方法的有效性以及材料科学中的典型情况。

Fingerprints are key tools in climate change detection and attribution (D&A) that are used to determine whether changes in observations are different from internal climate variability (detection), and whether observed changes can be assigned to specific external drivers (attribution). We propose a direct D&A approach based on supervised learning to extract fingerprints that lead to robust predictions under relevant interventions on exogenous variables, i.e., climate drivers other than the target. We employ anchor regression, a distributionally-robust statistical learning method inspired by causal inference that extrapolates well to perturbed data under the interventions considered. The residuals from the prediction achieve either uncorrelatedness or mean independence with the exogenous variables, thus guaranteeing robustness. We define D&A as a unified hypothesis testing framework that relies on the same statistical model but uses different targets and test statistics. In the experiments, we first show that the CO2 forcing can be robustly predicted from temperature spatial patterns under strong interventions on the solar forcing. Second, we illustrate attribution to the greenhouse gases and aerosols while protecting against interventions on the aerosols and CO2 forcing, respectively. Our study shows that incorporating robustness constraints against relevant interventions may significantly benefit detection and attribution of climate change.

我们介绍了数据科学预测生命周期中各个阶段开发和采用自动化的技术和文化挑战的说明概述，从而将重点限制为使用结构化数据集的监督学习。此外，我们回顾了流行的开源Python工具，这些工具实施了针对自动化挑战的通用解决方案模式，并突出了我们认为进步仍然需要的差距。

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.

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。

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。

Network-based analyses of dynamical systems have become increasingly popular in climate science. Here we address network construction from a statistical perspective and highlight the often ignored fact that the calculated correlation values are only empirical estimates. To measure spurious behaviour as deviation from a ground truth network, we simulate time-dependent isotropic random fields on the sphere and apply common network construction techniques. We find several ways in which the uncertainty stemming from the estimation procedure has major impact on network characteristics. When the data has locally coherent correlation structure, spurious link bundle teleconnections and spurious high-degree clusters have to be expected. Anisotropic estimation variance can also induce severe biases into empirical networks. We validate our findings with ERA5 reanalysis data. Moreover we explain why commonly applied resampling procedures are inappropriate for significance evaluation and propose a statistically more meaningful ensemble construction framework. By communicating which difficulties arise in estimation from scarce data and by presenting which design decisions increase robustness, we hope to contribute to more reliable climate network construction in the future.

福利值广泛用作模型不可知的解释框架，以解释复杂的预测机器学习模型。福利值具有理想的理论特性和声音数学基础。精确的福芙值估计依赖数据依赖于所有特征组合之间的依赖性的准确建模。在本文中，我们使用具有任意调节（VAEAC）的变形AutoEncoder来同时建模所有特征依赖性。我们通过全面的仿真研究证明了VAEAC对于连续和混合依赖特征的各种环境来说，VAEAC优于最先进的方法。最后，我们将VAEAC应用于从UCI机器学习存储库中的鲍鱼数据集。