不变的风险最小化（IRM）框架旨在从一组环境中学习不变的功能，以解决分发超出（OOD）泛化问题。底层假设是数据生成分布的因果组件在环境中仍然是常量，或者交替地，跨环境中的数据“重叠”以找到有意义的不变功能。因此，当“重叠”假设不保持时，一组真正不变的特征可能不足以以获得最佳预测性能。这种情况自然地出现在网络设置和分层数据生成模型中，其中IRM性能变为次优。为了减轻这种故障情况，我们争论部分不变性框架。关键的想法是通过基于分层差异对环境进行分区来引入IRM框架的灵活性，同时在分区内本地实施不变性。我们在分类设置中激励此框架，其中包括跨环境的因果分布。我们的结果表明，部分不变风险最小化的能力，以减轻在某些环境中的公平性和风险之间的权衡。

Learning models that gracefully handle distribution shifts is central to research on domain generalization, robust optimization, and fairness. A promising formulation is domain-invariant learning, which identifies the key issue of learning which features are domain-specific versus domaininvariant. An important assumption in this area is that the training examples are partitioned into "domains" or "environments". Our focus is on the more common setting where such partitions are not provided. We propose EIIL, a general framework for domain-invariant learning that incorporates Environment Inference to directly infer partitions that are maximally informative for downstream Invariant Learning. We show that EIIL outperforms invariant learning methods on the CMNIST benchmark without using environment labels, and significantly outperforms ERM on worst-group performance in the Waterbirds and CivilComments datasets. Finally, we establish connections between EIIL and algorithmic fairness, which enables EIIL to improve accuracy and calibration in a fair prediction problem.

域的概括（DG）通过利用来自多个相关分布或域的标记培训数据在看不见的测试分布上表现良好的预测因子。为了实现这一目标，标准公式优化了所有可能域的最差性能。但是，由于最糟糕的转变在实践中的转变极不可能，这通常会导致过度保守的解决方案。实际上，最近的一项研究发现，没有DG算法在平均性能方面优于经验风险最小化。在这项工作中，我们认为DG既不是最坏的问题，也不是一个普通的问题，而是概率问题。为此，我们为DG提出了一个概率框架，我们称之为可能的域概括，其中我们的关键想法是在训练期间看到的分配变化应在测试时告诉我们可能的变化。为了实现这一目标，我们将培训和测试域明确关联为从同一基础元分布中获取的，并提出了一个新的优化问题 - 分数风险最小化（QRM） - 要求该预测因子以很高的概率概括。然后，我们证明了QRM：（i）产生的预测因子，这些预测因素将具有所需概率的新域（给定足够多的域和样本）； （ii）随着概括的所需概率接近一个，恢复因果预测因子。在我们的实验中，我们引入了针对DG的更全面的以分位数评估协议，并表明我们的算法在真实和合成数据上的最先进基准都优于最先进的基准。

最近的学习不变（因果）特征（OOD）概括最近引起了广泛的关注，在建议中不变风险最小化（IRM）（Arjovsky等，2019）是一个显着的解决方案。尽管其对线性回归的理论希望，但在线性分类问题中使用IRM的挑战仍然存在（Rosenfeld等，2020； Nagarajan等，2021）。沿着这一行，最近的一项研究（Arjovsky等人，2019年）迈出了第一步，并提出了基于信息瓶颈的不变风险最小化的学习原理（IB-imm）。在本文中，我们首先表明（Arjovsky等人，2019年）使用不变特征的支持重叠的关键假设对于保证OOD泛化是相当强大的，并且在没有这种假设的情况下仍然可以实现最佳解决方案。为了进一步回答IB-IRM是否足以在线性分类问题中学习不变特征的问题，我们表明IB-IRM在两种情况下仍将失败，无论是否不变功能捕获有关标签的所有信息。为了解决此类失败，我们提出了一个\ textit {基于反事实的信息瓶颈（CSIB）}学习算法，该算法可恢复不变的功能。即使从单个环境访问数据时，提出的算法也可以工作，并且在理论上对二进制和多类问题都具有一致的结果。我们对三个合成数据集进行了经验实验，以验证我们提出的方法的功效。

Distributional shift is one of the major obstacles when transferring machine learning prediction systems from the lab to the real world. To tackle this problem, we assume that variation across training domains is representative of the variation we might encounter at test time, but also that shifts at test time may be more extreme in magnitude. In particular, we show that reducing differences in risk across training domains can reduce a model's sensitivity to a wide range of extreme distributional shifts, including the challenging setting where the input contains both causal and anticausal elements. We motivate this approach, Risk Extrapolation (REx), as a form of robust optimization over a perturbation set of extrapolated domains (MM-REx), and propose a penalty on the variance of training risks (V-REx) as a simpler variant. We prove that variants of REx can recover the causal mechanisms of the targets, while also providing some robustness to changes in the input distribution ("covariate shift"). By tradingoff robustness to causally induced distributional shifts and covariate shift, REx is able to outperform alternative methods such as Invariant Risk Minimization in situations where these types of shift co-occur.

域名（ood）概括是机器学习模型的重大挑战。已经提出了许多技术来克服这一挑战，通常专注于具有某些不变性属性的学习模型。在这项工作中，我们绘制了ood性能和模型校准之间的链接，争论跨多个域的校准可以被视为一个特殊的表达，导致更好的EOD泛化。具体而言，我们表明，在某些条件下，实现\ EMPH {多域校准}的模型可被证明无杂散相关性。这导致我们提出多域校准作为分类器的性能的可测量和可训练的代理。因此，我们介绍了易于申请的方法，并允许从业者通过训练或修改现有模型来改善多域校准，从而更好地在看不见的域上的性能。使用最近提出的野外的四个数据集以及彩色的MNIST数据集，我们证明了训练或调整模型，以便在多个域中校准它们导致在看不见的测试域中显着提高性能。我们认为，校准和革建化之间的这种有趣联系是从一个实际和理论的观点出发的。

最近，提出了不变的风险最小化（IRM）作为解决分布外（OOD）概括的有前途的解决方案。但是，目前尚不清楚何时应优先于广泛的经验风险最小化（ERM）框架。在这项工作中，我们从样本复杂性的角度分析了这两个框架，从而迈出了一个坚定的一步，以回答这个重要问题。我们发现，根据数据生成机制的类型，这两种方法可能具有有限样本和渐近行为。例如，在协变量偏移设置中，我们看到两种方法不仅达到了相同的渐近解决方案，而且具有相似的有限样本行为，没有明显的赢家。但是，对于其他分布变化，例如涉及混杂因素或反毒物变量的变化，两种方法到达不同的渐近解决方案，在这些方法中，保证IRM可以接近有限样品状态中所需的OOD溶液，而ERM甚至偶然地偏向于渐近。我们进一步研究了不同因素（环境的数量，模型的复杂性和IRM惩罚权重）如何影响IRM的样本复杂性与其距离OOD溶液的距离有关

当环境标签未知时，我们研究不变学习的问题。当贝叶斯最佳条件标签分布在不同环境中相同时，我们将重点放在不变的表示概念上。先前的工作通过最大化不变风险最小化（IRM）框架的罚款来进行环境推理（EI）。 EI步骤使用的参考模型侧重于虚假相关性，以有效地达到良好的环境分区。但是，尚不清楚如何找到这样的参考模型。在这项工作中，我们建议重复EI过程，并在先前的EI步骤推断出的\ textit {多数}环境上重复ERM模型。在温和的假设下，我们发现这种迭代过程有助于学习比单一步骤更好地捕获虚假相关性的表示。这会导致更好的环境推理和更好的不变学习。我们表明，该方法在合成数据集和现实世界数据集上的表现优于基准。

对分发外概括的流行假设是训练数据包括子数据集，每个数据集每种分布从不同的分布中汲取;然后，目标是“插入”这些分布和“推断”超越它们 - 这一目标广泛称为域泛化。常见的信念是，ERM可以插入但不推断，后者更困难，但这些索赔含糊不清，缺乏正式的理由。在这项工作中，我们通过在球员之间重新推广子组作为在线游戏，从而最大限度地减少风险和对手呈现新的测试分布。在基于副组可能性的重量和外推的现有概念下，我们严格证明外推比插值更难地更难，尽管它们的统计复杂性没有显着差异。此外，我们表明ERM - 或嘈杂的变体 - 对于两个任务来说都是最佳的最佳状态。我们的框架为域泛化算法的正式分析提供了一个新的途径，这可能具有独立兴趣。

研究兴趣大大增加了将数据驱动方法应用于力学问题的问题。尽管传统的机器学习（ML）方法已经实现了许多突破，但它们依赖于以下假设：培训（观察到的）数据和测试（看不见）数据是独立的且分布相同的（i.i.d）。因此，当应用于未知的测试环境和数据分布转移的现实世界力学问题时，传统的ML方法通常会崩溃。相反，分布（OOD）的概括假定测试数据可能会发生变化（即违反I.I.D.假设）。迄今为止，已经提出了多种方法来改善ML方法的OOD概括。但是，由于缺乏针对OOD回归问题的基准数据集，因此这些OOD方法在主导力学领域的回归问题上的效率仍然未知。为了解决这个问题，我们研究了机械回归问题的OOD泛化方法的性能。具体而言，我们确定了三个OOD问题：协变量移位，机制移位和采样偏差。对于每个问题，我们创建了两个基准示例，以扩展机械MNIST数据集收集，并研究了流行的OOD泛化方法在这些机械特定的回归问题上的性能。我们的数值实验表明，在大多数情况下，与传统的ML方法相比，在大多数情况下，在这些OOD问题上的传统ML方法的性能更好，但迫切需要开发更强大的OOD概括方法，这些方法在多个OOD场景中有效。总体而言，我们希望这项研究以及相关的开放访问基准数据集将进一步开发用于机械特定回归问题的OOD泛化方法。

We propose a Target Conditioned Representation Independence (TCRI) objective for domain generalization. TCRI addresses the limitations of existing domain generalization methods due to incomplete constraints. Specifically, TCRI implements regularizers motivated by conditional independence constraints that are sufficient to strictly learn complete sets of invariant mechanisms, which we show are necessary and sufficient for domain generalization. Empirically, we show that TCRI is effective on both synthetic and real-world data. TCRI is competitive with baselines in average accuracy while outperforming them in worst-domain accuracy, indicating desired cross-domain stability.

域泛化算法使用来自多个域的培训数据来学习概括到未经识别域的模型。虽然最近提出的基准证明大多数现有算法不优于简单的基线，但建立的评估方法未能暴露各种因素的影响，这有助于性能不佳。在本文中，我们提出了一个域泛化算法的评估框架，其允许将误差分解成组件捕获概念的不同方面。通过基于域不变表示学习的思想的算法的普遍性的启发，我们扩展了评估框架，以捕获在实现不变性时捕获各种类型的失败。我们表明，泛化误差的最大贡献者跨越方法，数据集，正则化强度甚至培训长度各不相同。我们遵守与学习域不变表示的策略相关的两个问题。在彩色的MNIST上，大多数域泛化算法失败，因为它们仅在训练域上达到域名不变性。在Camelyon-17上，域名不变性会降低看不见域的表示质量。我们假设专注于在丰富的代表之上调整分类器可以是有希望的方向。

尽管在各种应用中取得了显着成功，但众所周知，在呈现出分发数据时，深度学习可能会失败。为了解决这一挑战，我们考虑域泛化问题，其中使用从相关训练域系列绘制的数据进行训练，然后在不同和看不见的测试域中评估预测器。我们表明，在数据生成的自然模型和伴随的不变性条件下，域泛化问​​题等同于无限维约束的统计学习问题;此问题构成了我们的方法的基础，我们呼叫基于模型的域泛化。由于解决深度学习中受约束优化问题的固有挑战，我们利用非凸显二元性理论，在二元间隙上紧张的界限发展这种统计问题的不受约束放松。基于这种理论动机，我们提出了一种具有收敛保证的新型域泛化算法。在我们的实验中，我们在几个基准中报告了最多30个百分点的阶段概括基座，包括彩色，Camelyon17-Wilds，FMOW-Wilds和PAC。

Learned classifiers should often possess certain invariance properties meant to encourage fairness, robustness, or out-of-distribution generalization. However, multiple recent works empirically demonstrate that common invariance-inducing regularizers are ineffective in the over-parameterized regime, in which classifiers perfectly fit (i.e. interpolate) the training data. This suggests that the phenomenon of ``benign overfitting," in which models generalize well despite interpolating, might not favorably extend to settings in which robustness or fairness are desirable. In this work we provide a theoretical justification for these observations. We prove that -- even in the simplest of settings -- any interpolating learning rule (with arbitrarily small margin) will not satisfy these invariance properties. We then propose and analyze an algorithm that -- in the same setting -- successfully learns a non-interpolating classifier that is provably invariant. We validate our theoretical observations on simulated data and the Waterbirds dataset.

尽管不变风险最小化（IRM）成功解决了分布式概括问题，但在实践中应用时，IRM仍可以损害最佳性。 IRM的实用变体，例如IRMV1，已被证明与IRM存在显着差距，因此即使在简单的问题中也可能无法捕获不变性。此外，IRMV1中的优化过程涉及两个内在冲突的目标，并且通常需要对客观权重进行仔细的调整。为了纠正上述问题，我们将IRM重新制定为多目标优化问题，并为IRM提出了一种新的优化方案，称为Pareto不变风险最小化（Pair）。对可以在客观冲突下适应优化指导。此外，我们表明对可以赋予实用的IRM变体能够在提供适当的指导时用原始IRM克服障碍。我们对ColoredMnist进行实验，以确认我们的理论和对的有效性。

分配转移和公平性的稳健性已独立地成为现代机器学习模型所需的两个重要的逃亡者。尽管这两个Desiderata似乎相关，但它们之间的联系通常不清楚。在这里，我们通过因果镜头讨论这些连接，重点是反作用预测任务，其中假定分类器的输入（例如，图像）是作为目标标签和受保护属性的函数生成的。通过采用这一观点，我们在共同的公平标准（分离）和鲁棒性 - 风险不变性的概念之间达到明确的联系。这些连接为在反疗法环境中应用分离标准提供了新的动机，并为关于公平性绩效折衷的旧讨论提供了信息。此外，我们的发现表明，鲁棒性动机的方法可用于强制执行分离，并且它们在实践中通常比旨在直接强制执行分离的方法更好。使用医学数据集，我们从经验上验证了关于检测X射线肺炎的任务的发现，在这种情况下，性别群体的患病率差异激发了公平性缓解。我们的发现突出了选择和执行公平标准时考虑因果结构的重要性。

在使用不同的培训环境展示时，获得机器学习任务的可推广解决方案的一种方法是找到数据的\ textit {不变表示}。这些是协变量的表示形式，以至于表示形式的最佳模型在培训环境之间是不变的。在线性结构方程模型（SEMS）的背景下，不变表示可能使我们能够以分布范围的保证（即SEM中的干预措施都有牢固的模型学习模型。为了解决{\ em有限示例}设置中不变的表示问题，我们考虑$ \ epsilon $ approximate不变性的概念。我们研究以下问题：如果表示给定数量的培训干预措施大致相当不变，那么在更大的看不见的SEMS集合中，它是否会继续大致不变？这种较大的SEM集合是通过参数化的干预措施来生成的。受PAC学习的启发，我们获得了有限样本的分布概括，保证了近似不变性，该概述\ textit {概率}在没有忠实假设的线性SEMS家族上。我们的结果表明，当干预站点仅限于恒定大小的子集的恒定限制节点的恒定子集时，界限不会在环境维度上扩展。我们还展示了如何将结果扩展到结合潜在变量的线性间接观察模型。

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.

域泛化（DG）的主要挑战是克服多个训练域和看不见的测试域之间的潜在分布偏移。一类流行的DG算法旨在学习在训练域中具有不变因果关系的表示。但是，某些特征，称为\ emph {伪不变特征}，可能是培训域中的不变性，但不是测试域，并且可以大大降低现有算法的性能。为了解决这个问题，我们提出了一种新颖的算法，称为不变信息瓶颈（IIB），该算法学习跨越训练和测试域的最小值的最小值。通过最大限度地减少表示和输入之间的相互信息，IIB可以减轻其对伪不变特征的依赖，这对于DG是期望的。为了验证IIB原则的有效性，我们对大型DG基准进行了广泛的实验。结果表明，在两个评估度量标准中，IIB的IIIb平均超过2.8 \％和3.8 \％的准确性。

Machine learning models rely on various assumptions to attain high accuracy. One of the preliminary assumptions of these models is the independent and identical distribution, which suggests that the train and test data are sampled from the same distribution. However, this assumption seldom holds in the real world due to distribution shifts. As a result models that rely on this assumption exhibit poor generalization capabilities. Over the recent years, dedicated efforts have been made to improve the generalization capabilities of these models collectively known as -- \textit{domain generalization methods}. The primary idea behind these methods is to identify stable features or mechanisms that remain invariant across the different distributions. Many generalization approaches employ causal theories to describe invariance since causality and invariance are inextricably intertwined. However, current surveys deal with the causality-aware domain generalization methods on a very high-level. Furthermore, we argue that it is possible to categorize the methods based on how causality is leveraged in that method and in which part of the model pipeline is it used. To this end, we categorize the causal domain generalization methods into three categories, namely, (i) Invariance via Causal Data Augmentation methods which are applied during the data pre-processing stage, (ii) Invariance via Causal representation learning methods that are utilized during the representation learning stage, and (iii) Invariance via Transferring Causal mechanisms methods that are applied during the classification stage of the pipeline. Furthermore, this survey includes in-depth insights into benchmark datasets and code repositories for domain generalization methods. We conclude the survey with insights and discussions on future directions.