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构建因果引擎,创新科研范式——因果科学的学习路线图

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李奉治 (计算技术研究所)  | 作者

 

邓一雪  | 编辑

 

科学研究是如何开展的?在大多数情况下,科研人员会花费大量时间学习前置知识和目标研究领域知识体系,这可能会耗费从小学开始到本科毕业的15年以上的时间;之后,科研人员会根据研究目标,调研相关方向的经典文献和前沿文献,寻找其中的可创新点;在提出猜想与假设后,根据现有知识和能力设计实验;通过实验收集到相关数据后,进行数据分析,以确定当前数据会支持还是驳回原有猜想;最后通过深入的论证,详述研究对本领域产生了什幺样的贡献,给出了什幺样的新知识。

 

如果未来让“因果科学”的相关技术辅助科研人员的研究工作,甚至是指导科研工作方向或者改变科研的范式,会是什幺样的呢? 朱迪亚·珀尔教授在《为什幺》一书中给出了一个“因果推断引擎”的蓝图,在这里我又补充上了“因果发现引擎”在体系中应处的位置,构成了一个完整的“因果引擎”(图见下文) 。本文权当肆意畅想如何帮助未来的人工智能进行因果推理,并帮助科研人员找到新的创新点和正确的研究结论。

 

因果推断引擎 是一种问题处理机器,它接收三种不同的输入——假设、问题和数据,并能够产生三种输出。第一种输出是“是/否”判断,用于判定在现有的因果模型下,假设我们拥有完美的、无限的数据,那幺给定的问题在理论上是否有解。如果答案为“是”,则接下来推断引擎会生成一个被估量。这是一个数学公式,可以被理解为一种能从任何假设数据中生成答案的方法,只要这些数据是可获取的。最后,在推断引擎接收到数据输入后,它将用上述方法生成一个问题答案的实际估计值,并给出对该估计值的不确定性大小的统计估计。这种不确定性反映了样本数据集的代表性以及可能存在的测量误差或数据缺失。

 

因果发现引擎 是一种从观测数据中发现出可能的因果模型的机器,它接受两种输入——假设和数据,产生的输出为一个或一簇因果模型。下图展示了“因果引擎”的概貌。 (文末有因果引擎详细版本,包含各个模块的引导)

 

 

同时,根据因果科学与Causal AI读书会的两季的分享内容,结合因果推断引擎的框架,我们重新为关注因果科学领域的初学者提供了 学习路径 ,并且为了深入阐释这个图示的内在逻辑,接下来将以“药物D对病人生存期L的影响是什幺”这个问题为例进行具体分析。

 

同时,集智俱乐部和智源社区发起的因果科学读书会已经成功举办了两季了,如果你对这个话题感兴趣,并且想要在这个领域有持续的研究和关注,欢迎加入我们!

 

【因果科学读书会第一季】

 

图灵奖得主朱迪亚·珀尔教授认为,当下正在进行一场改变数据科学的新革命 “因果革命”。它以科学为中心,涉及从数据到政策、可解释性、机制的泛化,再到一些社会科学中的归因和公平性问题,甚至哲学中的创造性和自由意志 。本季读书会以 Elements of Causal Inference 一书为线索,主要展现因果科学在机器学习各个方向上的影响,包括强化学习、迁移学习、表示学习等等,并分享在工业界的部分应用成果。本季读书会梳理了因果科学的核心内容,理解它如何改变数据科学,助力 AI 系统超越曲线拟合和获得回答因果问题的能力。

 

– 发起人:龚鹤扬、高亦斌、郭瑞东等

 

– 时间:2020.08.26-2021.01.02

 

 

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【因果科学读书会第二季】

 

因果推断与机器学习领域的结合已经吸引了越来越多来自学界业界的关注。第一季读书会主要关注了因果科学在机器学习方向上的前沿应用,为深入探讨、普及推广因果科学议题,第二季读书会着力于实操性、基础性,带领大家精读因果科学方向两本非常受广泛认可的入门教材: Causal inference in statistics: A primerElements of causal inference: foundations and learning algorithms 。读书会以直播讨论为主,结合习题交流、夜谈、编程实践、前沿讲座等多类型内容,主要面向有机器学习背景、希望深入学习因果科学基础知识和重要模型方法、寻求解决相关研究问题的研究人员。

 

– 发起人:李奉治、陆超超、张天健等

 

– 时间:2021.02.24-2021.07.24

 

 

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因果引擎的十要素

 

 

1. 知识

 

知识指的是推理主体 (Reasoning Agent) 过去的经验,包括过去的观察、以往的行为、接受过的教育和文化习俗等所有被认为与目标问题有关的内容。“知识”周围的虚线框表示它仍隐藏在推理主体的思想中,尚未在模型中得到正式表达。

 

例如,我们如何去判断和界定一个病人的存活期、药物对于病人生理机能的可能的影响、其他的何种因素极有可能影响到药物疗效等等信息,都属于这个部分。

 

 

 

2. 假设

 

科学研究总是要求我们给出简化的假设,这些假设也就是研究者在现有知识的基础上认为有必要明确表述出来的陈述。研究者所拥有的大部分知识都隐藏于他的大脑,只有假设能将其公之于世,也只有假设才能被嵌入模型。

 

例如,我们可以根据已有知识判断出药物的作用机制与病人的性别是无关的,与病人的年龄是有关的,与病人的视力水平是无关的,与病人的身高是无关的,但与病人的体重是有关的等等。

 

 

3. 因果模型

 

因果模型有多种表现形式,包括因果图、结构方程、逻辑语句等。从构建因果图的角度来看,“因果关系”的定义就非常简单了:如果变量Y“听从于”变量X,并根据所“听到”的内容决定自己的值,那幺变量X就是变量Y的一个因。这里的因果模型可以直接从假设进行构建,也可以从因果发现引擎中获得。

 

例如,如果我们怀疑一位病人的存活期L“听从于”该病人是否服用了药物D,那幺我们便可以称D为L的因,并在因果图里绘制一个从D到L的箭头。当然,关于D和L之间的关系问题的答案很可能还取决于其他变量,因而我们也必须将这些变量及其因果关系在因果图中表示出来。在这里,我们统一用Z来表示其他变量。

 

 

4. 可验证的蕴涵

 

以因果模型的路径来表示的变量之间的听从模式通常会导向数据中某种显而易见的模式或相关关系。这些模式可被用于测试模型,因此也被称为“可验证的蕴涵” (Testable Implications) 。

 

例如,将“D和L之间没有连接路径”翻译成统计学语言,就是“D和L相互独立”,也就是说,发现D的存在不会改变L发生的可能性。而如果实际数据与这一推断相抵触,那幺我们就需要修改模型。

 

对于因果发现引擎输出的模型,绝大多数情况下并不会发生这种抵触;但对于直接从假设构建的模型,这种抵触是可能发生的,这就需要另一个图中没有画出模块,输入可验证的蕴涵和数据后,计算数据与模型假设的匹配程度。

 

 

 

5. 问题

 

向推理引擎提交的问题就是我们希望获得解答的科学问题,这一问题必须用因果词汇来表述。因果革命的主要成就之一就是确保了这一语言在科学上容易理解,同时在数学上精确严谨。

 

例如,我们现在感兴趣的问题是“药物D对病人生存期L的影响是什幺”,可以表述为“P(L”do(D))是什幺”。

 

 

 

6. 被估量

 

被估量“Estimand”来自拉丁语,意思是“需要估计的东西”。它是我们从数据中估算出来的统计量。一旦这个量被估算出来,我们便可以用它来合理地表示问题的答案。虽然被估量的表现形式是一个概率公式,如P(L”D,Z)×P(Z),但实际上它是一种方法,可以让我们根据我们所掌握的数据类型回答因果问题 (前提是推断引擎证实了这种数据类型就是我们需要的) 。

 

重要的是要认识到,与传统的统计学所提供的估计方法不同,在当前的因果模型下,无论我们收集到多少数据,有些问题可能仍然无法得到解答。这个被称作“可识别性”问题。例如,如果我们的模型显示D和L都依赖于第三变量Z (比如疾病的发展阶段) ,并且,如果我们没有任何方法可以测量Z的值,那幺问题P(L”do(D))就无法得到解答。在这种情况下,收集数据完全就是浪费时间。相反,我们需要做的是回过头完善模型,具体方式则是输入新的科学知识,使我们可以估计Z的值,或者简化假设 (注意,此处存在犯错的风险) ,例如假设Z对D的影响是可以忽略不计的。

 

 

 

7. 数据

 

数据可以被视作填充被估量的原料。这里我们一定要认识到,数据本身不具备表述因果关系的能力。数据告诉我们的只是数量信息,如P(L”D)或P(L”D,Z)的值。而被估量则能够告诉我们如何将这些统计量转化为一个表达式。基于模型假设,该表达式在逻辑上等价于我们所要回答的因果问题,比说P(L”do(D))。

 

在传统的统计方法中,被估量就等同于有待解决的问题。例如,如果我们对存活期为L的人群中服用过药物D的病人的比例感兴趣,那幺我们可以将这个问题简记为P(D”L)。该表达式的值也就是我们的被估量。这一表达式已经确切地说明了数据中的哪个概率有待被估计,而并不涉及任何因果知识。

 

 

8. 统计估计

 

直接将现有数据代入被估量就可以得到粗糙的估计值了。但需要注意的是,数据永远是从理论上无限的总体中抽取的有限样本。比如在我们所讨论的这个例子中,数据样本由我们筛选出来进行研究的病人组成,即使这种筛选是随机的,我们也无法避免根据样本测量的概率无法代表整个总体的相应概率的可能性。幸运的是,依靠机器学习领域所提供的先进技术,统计学科为我们提供了很多方法来应对这种不确定性,这些方法包括最大似然估计、倾向评分、置信区间、显着性检验等,使我们从已有数据可以得到更为“精准”的估计值。

 

 

 

9. 估计值

 

如果我们的模型是正确的且数据是充分的,那幺我们就获得了这个待解决的因果问题的答案,比如“药物D使糖尿病患者Z的生存期L增加了30%,误差±20%”。这一答案可以被添加到我们的【知识】中。而如果这一答案与我们的预期不符,则很可能说明我们需要对因果模型做一些改进。

 

 

 

10. 因果发现引擎

 

因果发现引擎是促进整体因果引擎自动化执行的重要推手。因果发现引擎可以根据现有的大量数据得到一个因果图,以辅助因果推断引擎的执行。除此之外,对于部分因果发现的算法,可以输入已有的知识来改进解决。

 

例如,通过药物研究组其他项目收集到的数据,我们可以对人的其他生理指标或背景因素之间的关系进行建模,例如家庭富裕程度、学历、婚姻状态、年龄、身高体重、血压等等多个变量之间的因果关系模型。通过这个模型,也可以指导我们如何去探究一个新药的有效性,确定要去测量哪些变量。

 

这个流程图乍看起来很复杂,因而你可能会怀疑它是否确有必要。事实上,在日常生活中,我们总能用某种方法做出一些因果判断,而与此同时并没有意识到自己经历了如此复杂的推断过程,当然也不会诉诸计算概率和比例的数学工具。我们的因果直觉通常足以让我们应付日常生活乃至职业生活中的不确定性。但是如果我们想教一个笨拙的机器人借助因果思维来思考问题,或者如果我们正试图推动无法依靠直觉来指引的前沿科学的发展,那幺这一经过精心设计的推断流程就很有必要了。

 

朱迪亚·珀尔教授认为,对于因果关系方面的知识来说,数据没有任何发言权。例如,有关行动或干预结果的信息根本无法从原始数据中获得,这些信息只能从对照试验操作中收集。相比之下,如果拥有一个因果模型,我们就可以在大部分情况下从未经干预处理的数据中预测干预的结果了。

 

因果模型所具备而数据挖掘和深度学习所缺乏的另一个优势就是适应性。被估量是在我们真正检查数据的特性之前仅仅根据因果模型计算出来的,这就使得因果推断引擎适应性极强,因为无论变量之间的数值关系如何,被估量都能适用于与定性模型适配的数据。

 

在未来,也许同领域的科研工作者们可以共享一个大规模的因果图,代表了共有的知识和假设。要去探究一个新的变量与原有知识体系的关系时,可以直接截取与这个变量有关系的子图。之后通过因果引擎计算出被估量,依照被估量中出现的变量来设计实验。实验采集到数据后可以计算出估计值并得到结果。相关的实验数据还可以融入到已有的数据之后,供因果引擎来检查是否可以更新现有的领域大模型,如果出现了不一致性,就自动展现出来,成为新的研究点。

 

这种因果引擎或许在未来可以帮助建立负责任、可解释的人工智能,还可以完全改变现有的科学范式,让领域知识变得明确和可共享,方便科研人员设计实验和得出更加准确的结果,引发科学界的“因果浪潮”。

 

根据对因果推断引擎的介绍,我们为关注因果科学领域的初学者提供了完整的学习路径:

 

 

 

 

图中目录为读书会相应的录播视频及讲者。报名读书会可解锁所有视频

 

以上大多数内容直接来自朱迪亚·珀尔教授的《为什幺》一书的中译本导言章节部分,作者对原文内容进行的修改和拓展,并修改了配图内容,因此其中部分内容并非朱迪亚·珀尔教授的思想。 原文内容请参见《为什幺》中译本第XIX至第XXIV页。

 

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