基于梯度提升决策树（GBDT）的机器学习（ML）算法在从医疗保健到金融的各种任务关键应用程序中的许多表格数据任务上仍然受到青睐。但是，GBDT算法并不能免于偏见和歧视性决策的风险。尽管GBDT的受欢迎程度和公平ML研究的迅速发展，但现有的经过处理的公平ML方法要么不适用GBDT，因此在大量的火车时间内开销，或者由于高级失衡的问题而不足。我们提出FairgBM，这是一个在公平限制下培训GBDT的学习框架，与无约束的LightGBM相比，对预测性能几乎没有影响。由于常见的公平指标是不可差异的，因此我们使用平滑的凸错误率代理采用``代理 - 拉格朗日''公式来实现基于梯度的优化。此外，与相关工作相比，我们的开源实施在训练时间中显示了一个数量级的加速顺序，这是一个关键方面，旨在促进现实世界实践者对FairgBM的广泛采用。

近年来，机器学习算法在多种高风险决策应用程序中变得无处不在。机器学习算法从数据中学习模式的无与伦比的能力也使它们能够融合嵌入的偏差。然后，一个有偏见的模型可以做出不成比例地损害社会中某些群体的决策 - 例如，他们获得金融服务的机会。对这个问题的认识引起了公平ML领域，该领域的重点是研究，衡量和缓解算法预测的不公平性，相对于一组受保护的群体（例如种族或性别）。但是，算法不公平的根本原因仍然难以捉摸，研究人员在指责ML算法或训练的数据之间进行了划分。在这项工作中，我们坚持认为，算法不公平源于数据中模型与偏见之间的相互作用，而不是源于其中任何一个的孤立贡献。为此，我们提出了一种分类法来表征数据偏差，并研究了一系列关于公平盲目的ML算法在不同数据偏见设置下表现出的公平性准确性权衡的假设。在我们的现实帐户开放欺诈用例中，我们发现每个设置都需要特定的权衡，从而影响了预期价值和差异的公平性 - 后者通常没有注意到。此外，我们展示了算法在准确性和公平性方面如何根据影响数据的偏差进行比较。最后，我们注意到，在特定的数据偏见条件下，简单的预处理干预措施可以成功平衡小组错误率，而在更复杂的设置中相同的技术失败。

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。

数据驱动的AI系统可以根据性别或种族等保护属性导致歧视。这种行为的一个原因是训练数据中的编码的社会偏见（例如，女性是不平衡的，这在不平衡的阶级分布情况下加剧（例如，“授予”是少数阶级）。最先进的公平知识机器学习方法专注于保持\ emph {总体}分类准确性，同时提高公平性。在类别的不平衡存在下，这种方法可以进一步加剧歧视问题，通过否认已经不足的群体（例如，\ Texit {女性}）的基本社会特权（例如，平等信用机会）的基本权利。为此，我们提出了Adafair，一个公平知识的提升集合，可以在每轮的数据分布中改变数据分布，同时考虑到阶级错误，还考虑到基于部分集合累积累积的模型的公平相关性能。除了培训集团的培训促进，除了每轮歧视，Adafair通过优化用于平衡错误性能（BER）的集成学习者的数量，直接在训练后阶段解决不平衡。 Adafair可以促进基于不同的基于奇偶阶级的公平概念并有效减轻歧视性结果。我们的实验表明，我们的方法可以在统计阶段，平等机会方面实现平价，同时保持所有课程的良好预测性能。

算法决策的兴起催生了许多关于公平机器学习（ML）的研究。金融机构使用ML来建立支持一系列与信贷有关的决定的风险记分卡。然而，关于信用评分的公平ML的文献很少。该论文做出了三项贡献。首先，我们重新审视统计公平标准，并检查其对信用评分的适当性。其次，我们对将公平目标纳入ML模型开发管道中的算法选项进行了分类。最后，我们从经验上比较了使用现实世界数据以利润为导向的信用评分上下文中的不同公平处理器。经验结果证实了对公平措施的评估，确定了实施公平信用评分的合适选择，并阐明了贷款决策中的利润权衡。我们发现，可以立即达到多个公平标准，并建议分离作为衡量记分卡的公平性的适当标准。我们还发现公平的过程中，可以在利润和公平之间实现良好的平衡，并表明算法歧视可以以相对较低的成本降低到合理的水平。与该论文相对应的代码可在GitHub上获得。

We present a systematic approach for achieving fairness in a binary classification setting. While we focus on two well-known quantitative definitions of fairness, our approach encompasses many other previously studied definitions as special cases. The key idea is to reduce fair classification to a sequence of cost-sensitive classification problems, whose solutions yield a randomized classifier with the lowest (empirical) error subject to the desired constraints. We introduce two reductions that work for any representation of the cost-sensitive classifier and compare favorably to prior baselines on a variety of data sets, while overcoming several of their disadvantages.

自几十年前以来，已经证明了机器学习评估贷款申请人信誉的实用性。但是，自动决策可能会导致对群体或个人的不同治疗方法，可能导致歧视。本文基准了12种最大的偏见缓解方法，讨论其绩效，该绩效基于5个不同的公平指标，获得的准确性以及为金融机构提供的潜在利润。我们的发现表明，在确保准确性和利润的同时，实现公平性方面的困难。此外，它突出了一些表现最好和最差的人，并有助于弥合实验机学习及其工业应用之间的差距。

我们展示了如何采用回归函数$ \ hat {f} $，该{f} $适当地``多校准''并有效地将其后处理成近似错误的分类器，使分类器满足各种公平限制。后处理不需要标记的数据，只有一定数量的未标记数据和计算。计算$ \ hat f $的计算和样本复杂性要求与解决单个公平学习任务的要求相媲美，但实际上可以用来有效地解决许多不同的下游公平约束的学习问题。我们的后处理方法可以轻松处理相交组，从而将先前的工作推广到后处理回归功能上，以满足仅应用于分离组的公平约束。我们的工作扩展了最近的工作，表明多校准的回归函数是``omnipredictors''（即可以在后处理以最佳解决无约束的ERM问题）以进行约束优化。

Evaluating new techniques on realistic datasets plays a crucial role in the development of ML research and its broader adoption by practitioners. In recent years, there has been a significant increase of publicly available unstructured data resources for computer vision and NLP tasks. However, tabular data -- which is prevalent in many high-stakes domains -- has been lagging behind. To bridge this gap, we present Bank Account Fraud (BAF), the first publicly available privacy-preserving, large-scale, realistic suite of tabular datasets. The suite was generated by applying state-of-the-art tabular data generation techniques on an anonymized,real-world bank account opening fraud detection dataset. This setting carries a set of challenges that are commonplace in real-world applications, including temporal dynamics and significant class imbalance. Additionally, to allow practitioners to stress test both performance and fairness of ML methods, each dataset variant of BAF contains specific types of data bias. With this resource, we aim to provide the research community with a more realistic, complete, and robust test bed to evaluate novel and existing methods.

超参数优化构成了典型的现代机器学习工作流程的很大一部分。这是由于这样一个事实，即机器学习方法和相应的预处理步骤通常只有在正确调整超参数时就会产生最佳性能。但是在许多应用中，我们不仅有兴趣仅仅为了预测精度而优化ML管道；确定最佳配置时，必须考虑其他指标或约束，从而导致多目标优化问题。由于缺乏知识和用于多目标超参数优化的知识和容易获得的软件实现，因此通常在实践中被忽略。在这项工作中，我们向读者介绍了多个客观超参数优化的基础知识，并激励其在应用ML中的实用性。此外，我们从进化算法和贝叶斯优化的领域提供了现有优化策略的广泛调查。我们说明了MOO在几个特定ML应用中的实用性，考虑了诸如操作条件，预测时间，稀疏，公平，可解释性和鲁棒性之类的目标。

本文考虑了在分解正常形式（DNF，ANDS的DNF，ANDS，相当于判定规则集）或联合正常形式（CNF，ORS）作为分类模型的联合正常形式的学习。为规则简化，将整数程序配制成最佳贸易分类准确性。我们还考虑公平设定，并扩大制定，以包括对两种不同分类措施的明确限制：机会平等和均等的赔率。列生成（CG）用于有效地搜索候选条款（连词或剖钉）的指数数量，而不需要启发式规则挖掘。此方法还会绑定所选规则集之间的间隙和培训数据上的最佳规则集。要处理大型数据集，我们建议使用随机化的近似CG算法。与三个最近提出的替代方案相比，CG算法主导了16个数据集中的8个中的精度简单折衷。当最大限度地提高精度时，CG与为此目的设计的规则学习者具有竞争力，有时发现明显更简单的解决方案，这些解决方案不太准确。与其他公平和可解释的分类器相比，我们的方法能够找到符合较严格的公平概念的规则集，以适度的折衷准确性。

我们考虑为多类分类任务生产公平概率分类器的问题。我们以“投射”预先培训（且可能不公平的）分类器在满足目标群体对要求的一组模型上的“投影”来提出这个问题。新的投影模型是通过通过乘法因子后处理预训练的分类器的输出来给出的。我们提供了一种可行的迭代算法，用于计算投影分类器并得出样本复杂性和收敛保证。与最先进的基准测试的全面数值比较表明，我们的方法在准确性权衡曲线方面保持了竞争性能，同时在大型数据集中达到了有利的运行时。我们还在具有多个类别，多个相互保护组和超过1M样本的开放数据集上评估了我们的方法。

业务分析（BA）的广泛采用带来了财务收益和提高效率。但是，当BA以公正的影响为决定时，这些进步同时引起了人们对法律和道德挑战的不断增加。作为对这些关注的回应，对算法公平性的新兴研究涉及算法输出，这些算法可能会导致不同的结果或其他形式的对人群亚组的不公正现象，尤其是那些在历史上被边缘化的人。公平性是根据法律合规，社会责任和效用是相关的；如果不充分和系统地解决，不公平的BA系统可能会导致社会危害，也可能威胁到组织自己的生存，其竞争力和整体绩效。本文提供了有关算法公平的前瞻性，注重BA的评论。我们首先回顾有关偏见来源和措施的最新研究以及偏见缓解算法。然后，我们对公用事业关系的详细讨论进行了详细的讨论，强调经常假设这两种构造之间经常是错误的或短视的。最后，我们通过确定企业学者解决有效和负责任的BA的关键的有影响力的公开挑战的机会来绘制前进的道路。

The most prevalent notions of fairness in machine learning are statistical definitions: they fix a small collection of high-level, pre-defined groups (such as race or gender), and then ask for approximate parity of some statistic of the classifier (like positive classification rate or false positive rate) across these groups. Constraints of this form are susceptible to (intentional or inadvertent) fairness gerrymandering, in which a classifier appears to be fair on each individual group, but badly violates the fairness constraint on one or more structured subgroups defined over the protected attributes (such as certain combinations of protected attribute values). We propose instead to demand statistical notions of fairness across exponentially (or infinitely) many subgroups, defined by a structured class of functions over the protected attributes. This interpolates between statistical definitions of fairness, and recently proposed individual notions of fairness, but it raises several computational challenges. It is no longer clear how to even check or audit a fixed classifier to see if it satisfies such a strong definition of fairness. We prove that the computational problem of auditing subgroup fairness for both equality of false positive rates and statistical parity is equivalent to the problem of weak agnostic learning -which means it is computationally hard in the worst case, even for simple structured subclasses. However, it also suggests that common heuristics for learning can be applied to successfully solve the auditing problem in practice.We then derive two algorithms that provably converge to the best fair distribution over classifiers in a given class, given access to oracles which can optimally solve the agnostic learning problem. The algorithms are based on a formulation of subgroup fairness as a two-player zero-sum game between a Learner (the primal player) and an Auditor (the dual player). Both algorithms compute an equilibrium of this game. We obtain our first algorithm by simulating play of the game by having Learner play an instance of the no-regret Follow the Perturbed Leader algorithm, and having Auditor play best response. This algorithm provably converges to an approximate Nash equilibrium (and thus to an approximately optimal subgroup-fair distribution over classifiers) in a polynomial number of steps. We obtain our second algorithm by simulating play of the game by having both players play Fictitious Play, which enjoys only provably asymptotic convergence, but has the merit of simplicity and faster per-step computation. We implement the Fictitious Play version using linear regression as a heuristic oracle, and show that we can effectively both audit and learn fair classifiers on real datasets.

我们提出了一种可扩展的后处理算法，用于衰减培训的型号，包括深度神经网络（DNN），我们证明是通过限制其多余的贝叶斯风险而近乎最佳。我们在经典算法以及现代DNN架构上凭经验验证其对标准基准数据集的优势，并证明它在以前处理的同时表现出先前的后处理方法。此外，我们表明，该算法对于在刻度培训的模型是特别有效的，其中后处理是自然和实际的选择。

We propose a criterion for discrimination against a specified sensitive attribute in supervised learning, where the goal is to predict some target based on available features. Assuming data about the predictor, target, and membership in the protected group are available, we show how to optimally adjust any learned predictor so as to remove discrimination according to our definition. Our framework also improves incentives by shifting the cost of poor classification from disadvantaged groups to the decision maker, who can respond by improving the classification accuracy.In line with other studies, our notion is oblivious: it depends only on the joint statistics of the predictor, the target and the protected attribute, but not on interpretation of individual features. We study the inherent limits of defining and identifying biases based on such oblivious measures, outlining what can and cannot be inferred from different oblivious tests.We illustrate our notion using a case study of FICO credit scores.

We introduce a new rule-based optimization method for classification with constraints. The proposed method takes advantage of linear programming and column generation, and hence, is scalable to large datasets. Moreover, the method returns a set of rules along with their optimal weights indicating the importance of each rule for learning. Through assigning cost coefficients to the rules and introducing additional constraints, we show that one can also consider interpretability and fairness of the results. We test the performance of the proposed method on a collection of datasets and present two case studies to elaborate its different aspects. Our results show that a good compromise between interpretability and fairness on the one side, and accuracy on the other side, can be obtained by the proposed rule-based learning method.

在结果决策中使用机器学习模型通常会加剧社会不平等，特别是对种族和性别定义的边缘化群体成员产生不同的影响。 ROC曲线（AUC）下的区域被广泛用于评估机器学习中评分功能的性能，但与其他性能指标相比，在算法公平性中进行了研究。由于AUC的成对性质，定义基于AUC的组公平度量是成对依赖性的，并且可能涉及\ emph {group}和\ emph {group} aucs。重要的是，仅考虑一种AUC类别不足以减轻AUC优化的不公平性。在本文中，我们提出了一个最小值学习和偏置缓解框架，该框架既包含组内和组间AUC，同时保持实用性。基于这个Rawlsian框架，我们设计了一种有效的随机优化算法，并证明了其收敛到最小组级AUC。我们对合成数据集和现实数据集进行了数值实验，以验证Minimax框架的有效性和所提出的优化算法。

在高风险领域（人们的生计受到影响）中，机器学习的日益增长的使用迫切需要解释和公平的算法。在这些设置中，此类算法的准确性也至关重要。考虑到这些需求，我们提出了一个混合整数优化（MIO）框架，用于学习具有固定深度的最佳分类树，可以通过任意域特定的公平约束来方便地增强。我们基于在流行数据集上建造公平树木的最先进方法基准测试；鉴于固定的歧视阈值，我们的方法平均将样本外（OOS）的精度提高了2.3个百分点，并在88.9％的实验上获得了更高的OOS精度。我们还将各种算法公平概念纳入我们的方法中，展示其多功能建模能力，使决策者可以微调准确性和公平性之间的权衡。

我们提出了简单的主动采样和重新重量策略，以优化最小最大公平性，可以应用于通过损耗最小化学习的任何分类或回归模型。我们的方法背后的关键直觉是在每个TIMESTEP中使用来自当前模型中最差的组的DataPoint，以更新模型。实施的易于实现和我们稳健的制定的一般性使其成为提高糟糕表现群体的模型性能的有吸引力的选择。对于凸起的学习问题，如线性或逻辑回归，我们提供了对我们的策略的细粒度分析，证明了其收敛速度对Min-Max Fair解决方案。