Counterfactual Optimization of Policy Interventions: Lexical Ordering and Leapfrogging¶
作者: Martina Scauda, Tobias Freidling, Qingyuan Zhao
主题: 因果推断
相关性: 7/10
链接: https://arxiv.org/abs/2608.20505
一、领域脉络与小综述¶
这个方向是什么¶
本文研究的子方向是考虑反事实伤害约束的政策学习。根本的科学问题是:当一项政策(如医疗干预)从基线政策过渡到新政策时,如何在最大化总体福利(如平均健康结果)的同时,控制对个体造成的反事实伤害(即新政策下结果比基线政策更差的情况)不超过给定阈值。这个方向处于因果推断、政策学习与伦理决策的交叉点,当前成熟度较低——大多数现有方法只优化平均结果,忽略了个体伤害。
发展脉络¶
奠基工作: - Murphy (2003) 和 Qian & Murphy (2011) 奠定了最优个体化治疗规则的基础:最优政策就是根据条件平均处理效应(CATE)的符号分配治疗。这是无约束优化的基准。 - Manski (2004) 和 Kitagawa & Tetenov (2018) 将统计治疗选择与经验福利最大化引入计量经济学,关注在有限政策类中最大化平均福利。 - Athey & Wager (2021) 提出了基于双重稳健估计的政策学习方法,可处理观测数据,并建立了渐近遗憾界。
主要进展(资源约束与公平性): - Luedtke & van der Laan (2016) 和 Bhattacharya & Dupas (2012) 将资源约束引入政策学习,发现最优解具有词典式排序结构:按“CATE/成本”优先级得分排序,直到预算耗尽。这是本文技术路线的直接前身。 - Kitagawa & Tetenov (2021) 和 Cui & Han (2025) 将目标函数从平均福利替换为平等导向或分布福利泛函,关注分配公平性而非个体伤害。 - Viviano & Bradic (2024) 在帕累托前沿上选择最公平的分配,采用“首先不伤害”视角。 - Fang et al. (2023) 要求结果分布的尾部超过阈值,保护弱势亚群。
反事实伤害的引入: - Richens et al. (2022) 首次给出了反事实伤害的形式化定义,并构建了伤害规避目标函数。 - Kallus (2022) 推导了受负面影响的分数(FNA)的sharp界。 - Li et al. (2023) 在二元治疗设定下学习最大化奖励、同时约束反事实伤害比例的政策。 - Ben-Michael et al. (2024) 研究非对称反事实效用,推导部分识别下的minimax决策规则,并考虑了约束的伤害-资源联合公式。 - Wu et al. (2025) 在二元治疗、二元结果、仅控制基线的设定下研究了类似的伤害约束优化问题。
本文的位置: 本文在以上工作的基础上,将伤害约束政策学习推广到多值治疗、随机基线政策和最优转移核的设定。核心发现是:最优政策转移往往具有“词典式跳跃”结构——由协变量和当前治疗定义的子组按优先级得分排序,任何治疗变更直接将其移至条件最优治疗。这个结构在形式上与Rawls的词典式差异原则和社会选择理论中的leximin排序有亲缘关系。
子线索聚类¶
- 无约束平均福利最大化:Murphy (2003), Qian & Murphy (2011), Athey & Wager (2021), Kosorok & Laber (2019)。核心是估计CATE并按符号分配治疗。
- 资源约束下的政策学习:Luedtke & van der Laan (2016), Bhattacharya & Dupas (2012), Sun et al. (2021), Qiu et al. (2022), Sverdrup et al. (2025)。产生词典式排序结构,但约束是外生成本而非内在伤害。
- 公平/分布导向的政策学习:Kitagawa & Tetenov (2021), Cui & Han (2025), Viviano & Bradic (2024), Fang et al. (2023)。修改目标函数或施加尾部约束,不涉及反事实耦合。
- 反事实伤害约束的政策学习:Richens et al. (2022), Kallus (2022), Li et al. (2023), Ben-Michael et al. (2024), Wu et al. (2025)。本文属于此线索,并将其推广到多值治疗和一般基线。
核心问题与瓶颈¶
- 核心问题1:如何定义和量化反事实伤害?(Richens et al., 2022; Sarvet & Stensrud, 2023)
- 核心问题2:在部分识别下(潜在结果联合分布不可识别),如何对伤害进行最坏情况约束?(Kallus, 2022; 本文)
- 核心问题3:多值治疗下,最优政策转移是否具有可处理的数学结构?(本文回答:是,词典式跳跃)
- 瓶颈:伤害约束涉及潜在结果的联合分布,这通常不可识别,只能通过Fr´echet界或敏感性分析进行部分识别。这导致优化问题成为部分识别下的决策问题。
⚠️ 作者的 framing¶
作者将缺口frame为:“现有工作要么只考虑平均福利,要么只考虑二元治疗和确定性基线,缺乏一个能处理多值治疗、随机基线和一般伤害测度的统一框架。” 作者将自己的工作定位为“显然的下一步”——通过引入“词典式跳跃”结构,将多值治疗问题简化为连续背包问题。
被淡化/回避的竞争路线: - 作者将资源约束路线(Luedtke & van der Laan, 2016等)定位为“不同约束”(外生成本 vs. 内在伤害),从而回避了与其直接比较。但两种约束在数学结构上高度相似(都产生词典式排序),作者未深入讨论何时一种约束比另一种更合适。 - 作者提到Ben-Michael et al. (2024) 的惩罚形式可视为其约束问题的拉格朗日松弛,但未展开比较两种方法的实际差异(如惩罚参数选择 vs. 约束阈值选择)。
值得研究者去查的问题: 本文的introduction没有引用任何关于动态治疗规则/时序政策的工作(如Murphy, 2003的原始动态框架),尽管本文的“政策转移”概念天然具有时序性。这是否意味着本文的框架不能直接扩展到多阶段设定?或者作者有意回避了动态规划带来的复杂性?
张力¶
未见明显对立引用。各被引工作之间在数学框架上具有一致性(都基于Neyman-Rubin潜在结果框架),差异主要在于约束类型和目标函数的选择。
二、最核心、最简单的例子 / 数学问题¶
第一步:符号、模型、可观测数据交代清楚¶
符号: - \(X \in \mathcal{X}\):协变量(背景信息),随机变量。 - \(Z \in \mathcal{Z}\):治疗变量,分类变量(\(|\mathcal{Z}| < \infty\)),由政策制定者分配给个体。 - \(Y \in \mathbb{R}\):结果变量(效用/健康结果),实值。 - \(Y(z)\):潜在结果——当治疗被设为\(z\)时个体将展现的结果。\(Y(\cdot) = (Y(z): z \in \mathcal{Z})\)是潜在结果调度。 - \(d(z|x)\):政策——给定\(X=x\)时分配\(Z=z\)的条件概率。确定性政策:存在\(z(x)\)使得\(d(z(x)|x)=1\)。 - \(\kappa(z'|z, x)\):政策转移核——给定当前治疗\(Z=z\)和协变量\(X=x\)时,新治疗\(Z'=z'\)的条件概率。 - \(\gamma_z(x)\):条件边际分布——\(Y(z)\)给定\(X=x\)的分布。 - \(\gamma(x)\):条件联合分布——\(Y(\cdot)\)给定\(X=x\)的联合分布。 - \(\Gamma_F(x)\):Fr´echet类——所有具有给定边际\(\gamma_z(x)\)的联合分布\(\gamma(x)\)的集合。 - \(\Gamma = \prod_{x \in \mathcal{X}} \Gamma(x)\):乘积子类,\(\Gamma(x) \subseteq \Gamma_F(x)\)。 - \(h: \mathbb{R} \to \mathbb{R}_{\ge 0}\):伤害测度,满足\(h(y)=0\)对所有\(y \ge 0\)成立(即只对负变化惩罚)。 - \(EH_{\kappa,\gamma} = \mathbb{E}_{\kappa,\gamma}[h(Y(Z') - Y(Z))]\):转移\(\kappa\)在联合分布\(\gamma\)下的期望伤害。 - \(B \ge 0\):给定的伤害预算上限。 - \(\tau(x) = \mathbb{E}[Y(1)-Y(0)|X=x]\):条件平均处理效应(CATE)。 - \(z^*(x) = \arg\max_z \mathbb{E}[Y(z)|X=x]\):条件最优治疗。 - \(\Delta(z, x) = \mathbb{E}[Y(z^*(x)) - Y(z)|X=x]\):从\(z\)跳到最优治疗的期望增益。 - \(H(z, x) = \sup_{\gamma \in \Gamma(x)} \mathbb{E}_\gamma[h(Y(z^*(x)) - Y(z))|X=x]\):最坏情况期望伤害。 - \(\Lambda(z, x) = \Delta(z, x) / H(z, x)\):优先级得分(当\(H>0\)时)。
模型(数据生成机制): - 假设A1(条件可交换性):\(Z \perp\!\!\!\perp Y(\cdot) | X\)。政策在给定\(X\)下随机分配治疗。 - 假设A2:条件边际分布\(\gamma_z(x)\)是已知的(例如从随机化实验中估计得到),且\(\mathbb{E}[|Y(z)|] < \infty\)。 - 假设A3:新治疗\(Z'\)由转移核\(\kappa\)生成,且\((Z, Z') \perp\!\!\!\perp Y(\cdot) | X\)。 - 假设A4:\(\Gamma\)是Fr´echet类的乘积子类。 - 假设A5:伤害测度\(h\)满足\(h(y)=0\)对\(y \ge 0\)。 - 假设A6:\(B \ge 0\)给定。
可观测数据 vs. 不可观测量: - 可观测:\((X, Z, Y)\)——协变量、实际分配的治疗、实际观察到的结果。 - 不可观测(潜在):\(Y(z)\)对\(z \neq Z\)——反事实结果。\(Y(\cdot)\)的联合分布——即使边际\(\gamma_z(x)\)可识别,耦合(即不同潜在结果之间的依赖关系)不可识别。 - 关键识别缺口:伤害\(h(Y(Z') - Y(Z))\)涉及两个潜在结果的比较,因此其分布不可识别,只能通过Fr´echet界或敏感性分析进行部分识别。
第二步:最小内核¶
最简特例:二元治疗、二元结果、Fr´echet类
考虑最简单的设定: - 治疗:\(Z \in \{0, 1\}\)(二元)。 - 结果:\(Y \in \{0, 1\}\)(二元,如死亡/存活)。 - 伤害测度:\(h(y) = \mathbb{1}\{y < 0\}\)(即概率伤害)。 - 依赖类:\(\Gamma = \Gamma_F\)(完全Fr´echet类,无额外约束)。 - 基线政策:\(d(0|x) = 1\)(所有人当前都接受治疗0)。
在这个特例下,优化问题(1)退化成什么?
目标:最大化\(\mathbb{E}_\kappa[Y(Z')]\),约束:\(\sup_{\gamma \in \Gamma_F} P_\kappa(Y(Z') < Y(Z)) \le B\)。
由于\(Z\)是二元的,转移核\(\kappa\)只有两个非平凡参数:\(\kappa(1|0, x)\)(从0转到1的概率)和\(\kappa(0|1, x)\)(从1转到0的概率)。但根据定理2的证明,可以证明最优解中\(\kappa(0|1, x)=0\)当\(\tau(x) > 0\)(即CATE为正时,不会从1转回0)。因此,问题简化为:对每个\(x\),选择\(c(x) = \kappa(1|0, x) \in [0, 1]\)。
目标函数:
约束:
其中\(\gamma_z(x) = P(Y(z)=1|X=x)\)。最后一个等式来自Fr´echet界:在二元结果下,\(P(Y(1) < Y(0))\)的最大可能值就是\(\min\{\gamma_0, 1-\gamma_1\}\)(当两个潜在结果反单调耦合时达到)。
因此,问题变成连续背包问题:
Neyman-Pearson引理(Lemma 1)直接给出解:
这个最小内核揭示了整篇论文的核心思路: 1. 伤害约束下的政策优化本质上是一个连续背包问题。 2. 背包问题的解具有词典式排序结构:按“收益/成本”比(即优先级得分)排序,从高到低依次“购买”转移。 3. 在多值治疗下,关键挑战是证明“跳跃”到最优治疗(而不是逐步改进)是最优的——这就是跳跃引理(Lemma 2)的作用。
三、这篇论文做了什么¶
三句话¶
- 研究了什么问题:在从基线政策过渡到新政策时,如何在控制最坏情况个体伤害(期望或概率)不超过给定阈值的前提下最大化总体福利,特别关注多值治疗设定。
- 核心工具/方法:将问题转化为连续背包问题,利用Neyman-Pearson引理和自创的“跳跃引理”(Lemma 2),证明最优政策转移具有“词典式跳跃”结构——子组按优先级得分排序,任何治疗变更直接跳至条件最优治疗。
- 主要结论:在Fr´echet类、次可加伤害测度和随机占优条件下,存在一个词典式跳跃的最优政策转移;优先级得分由“跳至最优治疗的期望增益/最坏情况期望伤害”给出;在二元结果下得到闭式表达式;通过对I-SPY2乳腺癌试验的再分析展示了方法的应用。
关键设定与假设¶
完整设定(在第二节最小记号基础上补充):
- 假设A1-A6(已在第二节列出):条件可交换性、边际已知、转移随机、乘积子类、伤害测度性质、预算给定。
- 次可加性(Definition 2):\(h(y+y') \le h(y) + h(y')\)对所有\(y, y' \in \mathbb{R}\)成立。这保证了\(h\)是非增的,是跳跃引理证明中“补偿修改”步骤的关键。
- 单调重耦合封闭性(Definition 3):\(\Gamma\)在\((z, z^*)\)处对单调重耦合封闭,如果对任意\(\gamma \in \Gamma\),存在\(\gamma' \in \Gamma\)使得:(1) 除\(Y(z)\)外所有潜在结果的联合分布不变;(2) \(Y(z) \le Y(z^*)\)在\(\gamma'\)下几乎必然成立。这等价于要求\(\gamma_z\)被\(\gamma_{z^*}\)随机占优,且\(\Gamma\)足够“丰富”以允许这种重耦合。
- 随机占优:对每个\(x\)和\(z\),\(Y(z)\)的条件分布被\(Y(z^*(x))\)随机占优。这是跳跃引理的前提条件。
- 乘积类:\(\Gamma = \prod_{x \in \mathcal{X}} \Gamma(x)\)。这使得最坏情况伤害的sup可以与期望交换(公式7),从而将问题分解为每个\(x\)上的独立子问题。
相比已有文献的放宽/强化: - 放宽:允许多值治疗(此前多为二元)、随机基线政策(此前多为确定性基线)、一般伤害测度(此前多为概率伤害)。 - 强化:需要随机占优和单调重耦合封闭性(定理3),这在二元治疗下不需要(定理2)。
主要结果¶
定理1(二元结果、Fr´echet类):当\(Y\)二元、\(\Gamma = \Gamma_F\)时,存在一个最优的词典式跳跃政策转移,其优先级得分独立于初始政策\(d\)。
定理2(二元治疗):当\(Z\)二元时,存在\(\lambda^* \ge 0\)和\(\alpha^* \in [0,1]\)使得最优政策转移由阈值规则给出,优先级得分如公式(9)所示。这个定理不需要任何关于\(\Gamma\)或\(h\)的额外假设——是本文最一般的结果之一。
定理3(多值治疗、Fr´echet类):假设\(\Gamma = \Gamma_F\),\(h\)次可加,且\(Y(z)\)被\(Y(z^*(x))\)随机占优。则存在\(\lambda^* \ge 0\)和\(\alpha^* \in [0,1]\)使得最优政策转移为:对\(z \neq z^*(x)\),\(\kappa^*(z^*(x)|z, x) = t(z, x; \alpha^*, \lambda^*)\),\(\kappa^*(z|z, x) = 1 - t(z, x; \alpha^*, \lambda^*)\);对\(z = z^*(x)\),\(\kappa^*(z^*(x)|z^*(x), x) = 1\);所有其他转移概率为零。优先级得分由公式(10)给出。
定理4(Pareto效率):在定理3的设定下,若伤害测度为负部函数\(h(y) = y^-\),且所有条件潜在结果边际被随机占优完全排序,则定理3的解也最大化最坏情况期望收益(公式15)。
命题1(高斯copula下的优先级得分):当潜在结果具有高斯copula且相关性下界为\(\rho_L\)时,最坏情况期望伤害有闭式表达式(涉及双重积分),且当\(\rho_L \to -1\)时收敛到Fr´echet界。
命题2(高斯结果):若潜在结果给定\(X\)下服从多元高斯分布,则所有治疗臂具有相同的条件方差\(\sigma(x)\),优先级得分等价于按标准化增益\(r(z, x) = (\mu_{z^*}(x) - \mu_z(x)) / \sigma(x)\)排序。
证明路线与技术技巧¶
整体路线(以定理3为例):
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分解为条件子问题:利用乘积类假设,将最坏情况伤害的sup与期望交换(公式7),将问题分解为每个\(x\)上的独立子问题。
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应用跳跃引理(Lemma 2):对任意可行转移\(\kappa\),通过三步变换构造一个“不更差”的跳跃转移\(\kappa^*\):
- Step 1:移除所有“向下转移”(从高均值治疗到低均值治疗)。这不会降低平均结果,也不会增加伤害。
- Step 2:移除所有“进入或离开次优治疗\(z\)的向上转移”。通过“补偿修改”(见Example 1的说明),在保持平均结果不变的同时不增加最坏情况伤害。次可加性在此步骤中用于控制补偿转移的伤害。
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Step 3:将剩余的“向上转移到\(z\)”全部重定向到最优治疗\(z^*\)。利用单调重耦合封闭性,证明最坏情况伤害不会增加。
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将问题简化为连续背包:在跳跃结构下,目标函数和约束都成为\(\kappa(z^*(x)|z, x)\)的线性泛函(公式12-14)。关键观察:由于所有伤害最大化问题都是关于同一边际\(Y(z^*(x))\)的成对运输问题,成对最优运输映射可以组合成所有潜在结果之间的联合映射,因此sup可以与对\(z\)的求和交换。
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应用Neyman-Pearson引理:将问题写成连续背包问题(公式5),其中\(a(x) = \sum_z d(z|x) \kappa(z^*(x)|z, x) \Delta(z, x)\),\(b(x) = \sum_z d(z|x) \kappa(z^*(x)|z, x) H(z, x)\)。Lemma 1直接给出阈值解。
关键跳跃点:
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跳跃引理(Lemma 2)的证明:这是全文最吃功夫的部分。难点在于:直接移除“向上转移到次优治疗”可能会增加最坏情况伤害(如Example 1所示)。作者的解决方法是“补偿修改”——同时调整从不同源状态的转移,使得平均结果不变,而次可加性保证伤害不增。具体地,在Step 2中,同时减少从\(z\)到\(z\)的转移和从\(z\)到\(z\)的转移,并增加从\(z\)到\(z\)和从\(z\)到\(z\)的转移,比例\(\alpha\)由源状态的概率决定。
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公式(14)的推导:将sup与对\(z\)的求和交换需要论证“成对最优运输映射可以组合”。作者指出,因为所有成对问题都涉及同一个边际\(Y(z^*(x))\),所以可以构造一个联合分布使得所有成对耦合同时达到最优。这个论证依赖于Fr´echet类的结构,在更一般的\(\Gamma\)下需要额外的“C-vine copula”条件(Remark 1)。
技术技巧点名: - Neyman-Pearson引理 / 连续背包:用于从线性规划得到阈值解。 - 补偿修改:跳跃引理Step 2中,通过同时调整多个转移来保持平均结果不变。 - 单调重耦合:跳跃引理Step 3中,利用\(\Gamma\)的封闭性构造一个“更有序”的联合分布。 - Fr´echet界 / 最优运输:用于计算最坏情况期望伤害(公式18,Proposition 1)。 - 高斯copula:用于在连续结果下得到优先级得分的闭式表达式(Proposition 1, 2)。 - C-vine copula:用于论证更一般\(\Gamma\)下的可交换性(Remark 1)。
真实例子与应用¶
数据: I-SPY2乳腺癌平台试验(Barker et al., 2009; Wang & Yee, 2019),987名患者,10个治疗臂(含共享对照组),二元结果(病理完全缓解pCR)。患者按临床受体亚型(HR/HER2)分层。
方法应用: 1. 从Wolf et al. (2022)的Table S2提取每个(治疗臂,亚型)单元格的pCR计数和总人数(Table 1)。 2. 对每个单元格,采用Beta后验(平坦先验),后验均值为\((y+1)/(n+2)\)。 3. 计算三种优先级得分:CATE(即\(\Delta(z, x)\))、非负依赖得分\(\Lambda_1\)(假设OR≥1)、Fr´echet得分\(\Lambda_0\)(无约束)。 4. 通过后验抽样(10,000次)评估排名的不确定性。
结果: - Figure 2:三种得分在总体(\(n=\infty\))下的排名相关性:CATE与\(\Lambda_1\)的Kendall's \(\tau_b = 0.83\),CATE与\(\Lambda_0\)的\(\tau_b = 0.61\)。样本量增加时,有限样本排名与总体排名的相关性增加。 - Figure 3:在试验样本量下,排名恢复的变异性很大(\(\tau_b\)的箱线图范围约0.3-0.7)。 - Figure 4:Top-k恢复率:在试验样本量下,约一半的top-3或top-6组被正确恢复。 - Figure 5:后验排名置信区间显示大量不确定性。 - Figure 6:基于后验优势概率(\(\alpha=0.3\))构建的优先级层级。三种得分给出不同的层级结构:CATE和\(\Lambda_1\)将Ctr/TN列为最高优先级,而\(\Lambda_0\)将三个组(Ctr/HR-HER2+, Ctr/HR+HER2+, Ctr/TN)列为最高优先级。
这个例子想说明什么: 1. 考虑反事实伤害会改变治疗-亚型对的优先级排序(CATE vs. 伤害感知得分给出不同排名)。 2. 在有限样本下,排名存在大量不确定性,需要谨慎解释。 3. 优先级层级(而非精确排名)可能更适合实际决策。
🔎 结论是否比证明窄¶
- 定理3的假设:要求\(\Gamma = \Gamma_F\)(完全Fr´echet类)和随机占优。作者在Remark 1中声称可以扩展到更一般的\(\Gamma\),但需要两个额外条件(单调重耦合封闭性和C-vine copula结构)。这些条件在实际中很难验证,因此定理3的适用范围可能比作者声称的窄。
- 定理4:要求所有条件潜在结果边际被随机占优完全排序。这是一个很强的条件——在多值治疗下,通常只有部分治疗对被随机占优关系覆盖。作者在证明后立即指出,如果缺乏完全排序,可以通过进一步交换不占优的治疗对来“改进”政策,但这可能增加最坏情况伤害(同时增加最坏情况收益)。因此,定理4的结论可能不适用于一般情况。
- Proposition 2(高斯结果):要求所有治疗臂具有相同的条件方差。这是一个很强的隐含假设——在多元高斯下,随机占优确实隐含方差相等(证明中明确推导了这一点),但在非高斯设定下不一定成立。作者未讨论这个假设的敏感性。
四、开放问题¶
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动态/多阶段设定:本文只考虑单步政策转移。在多阶段设定下,词典式跳跃结构是否仍然成立?或者需要动态规划方法?扎根点:Section 7提到“Our analysis treats benefit and counterfactual harm as changes in the same scalar outcome”,未讨论时序设定。
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多维/安全结果:当伤害和安全涉及多个不同维度的结果时(如疗效 vs. 副作用),如何定义和约束伤害?扎根点:Section 7提到“Applications with distinct or multidimensional safety outcomes would require defining the relevant counterfactual safety comparisons”。
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多重约束:当存在资源、公平性或亚组特异性伤害约束时,问题变成多约束优化,不再有单得分阈值解。如何计算或近似最优解?扎根点:Section 7提到“Resource, fairness, or subgroup-specific harm constrains can be added computationally, but generally produce a multi-constraint optimization problem without the present one-score threshold solution”。
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个体层面保证:本文的伤害预算控制的是群体水平的最坏情况期望损失,不保证每个个体或亚组都不受伤害。如何将约束加强到个体或亚组水平的概率保证?扎根点:Section 7提到“because the harm budget controls population-level worst-case expected loss, it does not guarantee that every individual or subgroup is protected from harm”。
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