We consider the problem of constructing distribution-free prediction sets with finite-sample conditional guarantees. Prior work has shown that it is impossible to provide exact conditional coverage universally in finite samples. Thus, most popular methods only provide marginal coverage over the covariates. This paper bridges this gap by defining a spectrum of problems that interpolate between marginal and conditional validity. We motivate these problems by reformulating conditional coverage as coverage over a class of covariate shifts. When the target class of shifts is finite dimensional, we show how to simultaneously obtain exact finite sample coverage over all possible shifts. For example, given a collection of protected subgroups, our algorithm outputs intervals with exact coverage over each group. For more flexible, infinite dimensional classes where exact coverage is impossible, we provide a simple procedure for quantifying the gap between the coverage of our algorithm and the target level. Moreover, by tuning a single hyperparameter, we allow the practitioner to control the size of this gap across shifts of interest. Our methods can be easily incorporated into existing split conformal inference pipelines, and thus can be used to quantify the uncertainty of modern black-box algorithms without distributional assumptions.


翻译:我们考虑构建具有有限样本条件保证的无分布预测集的问题。先前的研究表明,在有限样本中普遍实现精确的条件覆盖是不可能的。因此,大多数流行方法仅提供协变量上的边际覆盖。本文通过定义一系列介于边际有效性和条件有效性之间的问题来弥合这一差距。我们将条件覆盖重新表述为协变量偏移类上的覆盖,从而为这些问题提供动机。当目标偏移类是有限维时,我们展示了如何同时获得所有可能偏移上的精确有限样本覆盖。例如,给定一组受保护的子群体,我们的算法输出具有每个群体上精确覆盖的区间。对于更灵活、无限维的类(其中精确覆盖是不可能的),我们提供了一种简单的程序来量化算法覆盖与目标水平之间的差距。此外,通过调整单个超参数,我们允许实践者控制该差距在感兴趣偏移上的大小。我们的方法可以轻松整合到现有的分裂共形推断流程中,因此无需分布假设即可用于量化现代黑箱算法的不确定性。

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