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2021-07-08
因果推断SCM可以用来解决干预反事实的推断
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2021-7-16 10:24:44

SCM具有马尔可夫性质,当且仅当这个SCM不包含任何的有向环,且所有外生变量均相互独立。因为外生变量通常被理解为某种「误差项」或「噪音项」,所以如果某些外生变量之间存在相关性,那么它们之间可能存在混淆变量。在一个马尔可夫式SCM中,我们可以得到以下的基本定理:

因果马尔可夫条件:

其中, 代表我们感兴趣的变量, 代表它的父节点中的所有内生变量。利用因果马尔可夫条件,我们可以把一个联合概率分布分解为多个条件概率分布的积。

一个符合因果马尔可夫条件的SCM经过介入之后,仍然符合因果马尔可夫条件,条件概率计算如下:

其中,X是一系列受到干预的变量,x是X中变量受干预之后的数值。 表示, 里同时也在X里(即在 中)的变量将被赋值为 的对应值。


图1

以图1为例,在干预之前, ,而在干预 之后, 。注意,由于从Z到X的因果箭头已经被切断, ,因为直接改变X无法影响Z。


在《Causality》中,Pearl证明了一个更广泛的结论:

其中,每一个t都代表X所有父节点的一种可能取值。由于所有直接指向X的箭头已经被切断,所以自然有

反事实推理(counterfactual inference)的核心在于:虽然现实情况下 ,但是假如 的话,Y会怎么样呢?

有些人后悔,「如果我当年……,那么我现在就能……。」这一思维方式就是反事实推理。

反事实推理与FPCI(因果推断的根本问题)息息相关。对于一个已经接受了实验组介入的样本u,我们只能观察到u的 ,却永远无法观察到 ,反之亦然。RCM(虚拟事实模型)对反事实推理有一定的描述,但RCM整体不如SCM清晰、明确、易解释。

下面,我将用SCM重新表达2.2部分中提到的介入主义因果观。

  • RCM考虑的对象是一个种群 内的所有个体 。在很多情形下,同质性假设不成立,每个个体都不尽相同。在SCM中,个体的差异会被误差项 表示(外生变量 会相对应地影响内生变量 )。除了 之外,模型 本身所代表的「自然法则」保持不变。
  • RCM的表达式 可以表示为 。即:我们对模型M进行干预,使得变量T赋值为t;同时,我们观察到所有外生变量U的值为u;在此情况下,我们向模型M查询我们感兴趣变量Y的条件概率。
  • RCM要求模型拥有一个「不受介入」的默认状态。显然,SCM符合要求:

因此,SCM可以回答类似「假如 而非现实中的 ,Y的值是什么?」的反事实问题。但是,在现实生活中,由于个体信息 通常未知,而复杂的非线性结构方程可能会随着U的分布变化而变化,所以反事实推理普遍比较困难。

总而言之,所有RCM均可以用SCM表达,而且SCM的白箱比RCM的黑箱更清晰、更稳定。


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2024-1-23 21:44:15
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