Given the increasing importance of machine learning (ML) in our lives, several algorithmic fairness techniques have been proposed to mitigate biases in the outcomes of the ML models. However, most of these techniques are specialized to cater to a single family of ML models and a specific definition of fairness, limiting their adaptibility in practice. We introduce a general constrained Bayesian optimization (BO) framework to optimize the performance of any ML model while enforcing one or multiple fairness constraints. BO is a model-agnostic optimization method that has been successfully applied to automatically tune the hyperparameters of ML models. We apply BO with fairness constraints to a range of popular models, including random forests, gradient boosting, and neural networks, showing that we can obtain accurate and fair solutions by acting solely on the hyperparameters. We also show empirically that our approach is competitive with specialized techniques that enforce model-specific fairness constraints, and outperforms preprocessing methods that learn fair representations of the input data. Moreover, our method can be used in synergy with such specialized fairness techniques to tune their hyperparameters. Finally, we study the relationship between fairness and the hyperparameters selected by BO. We observe a correlation between regularization and unbiased models, explaining why acting on the hyperparameters leads to ML models that generalize well and are fair.


翻译:鉴于机器学习(ML)在我们生活中越来越重要,因此提出了几种算法公平技术,以缓解ML模型结果中的偏差。然而,这些技术大多专门针对一个ML模型的单一家庭,并具体界定了公平性,限制了其在实践中的可适应性。我们引入了一种普遍限制的Bayesian优化框架,以优化任何ML模型的性能,同时实施一种或多种公平性限制。BO是一种模型性能优化方法,已经成功地用于自动调节ML模型的超参数。我们以公平性限制对一系列流行模型适用BO,包括随机森林、梯度增强和神经网络,表明我们能够通过仅仅在超参数上采取行动而获得准确和公正的解决方案。我们还从经验上表明,我们的方法具有竞争性,采用专门技术来强制执行特定模型的公平性限制,并超越了能够公平反映投入数据的前处理方法。此外,我们的方法可以被用来与这种专门性公平性技术协同调节其超比值。最后,我们研究了公平性和超偏差模型之间的关系,我们观察了如何使普遍标准化模型和高标准化。

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