Причинно-следственный анализ - Википедия - Causal analysis

Причинно-следственный анализ это область экспериментальная конструкция и статистика относящиеся к установлению причины и следствия.[1] Обычно он включает в себя четыре элемента: корреляция, последовательность во времени (то есть причины должны возникать до предполагаемого следствия), правдоподобное физическое или теоретико-информационный механизм следствия наблюдаемого эффекта из возможной причины и исключение возможности общие и альтернативные («особые») причины. Такой анализ обычно включает один или несколько искусственных или естественный эксперименты.[2]

Мотивация

Анализ данных в первую очередь касается причинно-следственных связей.[3][4][5][6][7] Например, способствовало ли удобрение росту урожая?[8] Или можно ли предотвратить данное заболевание?[9] Или почему мой друг в депрессии?[10] В потенциальные результаты и регрессивный анализ методы обрабатывают такие запросы, когда данные собираются с помощью разработанных экспериментов. Данные, собранные в наблюдательный исследования требуют различных методов причинно-следственного вывода (потому что, например, по таким вопросам, как сбивать с толку ).[11] Методы причинного вывода, используемые с экспериментальными данными, требуют дополнительных предположений для получения разумных выводов с данными наблюдений.[12] Сложность причинно-следственного вывода в таких обстоятельствах часто описывается как "корреляция не подразумевает причинно-следственной связи ".

По философии и физике

Основные статьи: Причинно-следственная связь и Причинность (физика)

Природа причинности систематически исследуется в нескольких академические дисциплины, включая философия и физика.

В академических кругах существует значительное количество теорий причинно-следственной связи; Оксфордский справочник причинно-следственной связи (Биби, Хичкок и Мензис 2009 ) охватывает 770 страниц. Среди наиболее влиятельных теорий в философия находятся Аристотель с Четыре причины и Аль-Газали с окказионализм.[13] Дэвид Хьюм утверждал, что представления о причинно-следственной связи основаны на опыте, а опыт аналогичным образом основан на предположении, что будущее моделирует прошлое, что, в свою очередь, может быть основано только на опыте, что приводит к круговая логика. В заключение он утверждал, что причинность не основана на реальных рассуждениях: на самом деле можно увидеть только корреляцию.[14] Иммануил Кант, в соответствии с Биби, Хичкок и Мензис (2009), считал, что «причинный принцип, согласно которому каждое событие имеет причину или следует в соответствии с причинным законом, не может быть установлен посредством индукции как чисто эмпирическое утверждение, поскольку тогда ему не хватало бы строгой универсальности или необходимости».

Вне области философии теории причинности могут быть определены в классическая механика, статистическая механика, квантовая механика, пространство-время теории биология, социальные науки, и закон.[13] Чтобы установить корреляцию как причинную внутри физика, обычно понимается, что причина и следствие должны быть связаны через локальный механизм (см., например, понятие влияние ) или нелокальный механизм (ср. понятие поле ), в соответствии с известными законы природы.

С точки зрения термодинамика универсальные свойства причин по сравнению со следствиями были определены с помощью Второй закон термодинамики, подтверждая древние, средневековые и Декартово[15] точка зрения, что "причина больше, чем следствие" для частного случая термодинамическая свободная энергия. Это, в свою очередь, оспаривается[сомнительный – обсуждать] популярными интерпретациями концепций нелинейные системы и эффект бабочки, в которых небольшие события вызывают большие эффекты из-за, соответственно, непредсказуемости и маловероятного запуска большого количества потенциальная энергия.

Причинность, основанная на контрфактических состояниях

Смотрите также: Верификационизм

Интуитивно кажется, что причинно-следственная связь требует не просто корреляции, а контрфактический зависимость. Предположим, что ученик плохо справился с тестом и догадывается, что причина в том, что он не учился. Чтобы доказать это, можно подумать о контрфакте: тот же ученик пишет тот же тест при тех же обстоятельствах, но учился накануне вечером. Если бы можно было перемотать историю назад и изменить только одну мелочь (заставить студента готовиться к экзамену), тогда можно было бы наблюдать причинно-следственную связь (сравнивая версию 1 с версией 2). Поскольку невозможно перемотать историю назад и воспроизвести события после внесения небольших контролируемых изменений, причинно-следственная связь может быть только предположена, но никогда точно не известна. Это называется фундаментальной проблемой причинного вывода - невозможно непосредственно наблюдать причинные эффекты.[16]

Основная цель научных эксперименты а статистические методы должны максимально приблизить контрфактическое состояние мира.[17] Например, можно запустить эксперимент на однояйцевых близнецах которые, как известно, постоянно получали одинаковые оценки на тестах. Одного из близнецов отправляют учиться на шесть часов, а другого отправляют в парк развлечений. Если их результаты за тесты внезапно сильно разойдутся, это станет веским доказательством того, что учеба (или поход в парк развлечений) оказывает причинное влияние на результаты тестов. В этом случае корреляция между результатами обучения и тестами почти наверняка будет означать причинно-следственную связь.

Хорошо продуманный экспериментальные исследования заменить равенство индивидов, как в предыдущем примере, равенством групп. Цель состоит в том, чтобы создать две группы, которые похожи, за исключением лечения, которое получают группы. Это достигается путем выбора субъектов из одной популяции и случайного распределения их по двум или более группам. Вероятность того, что группы будут вести себя одинаково (в среднем), возрастает с увеличением количества испытуемых в каждой группе. Если группы по существу эквивалентны, за исключением лечения, которое они получают, и наблюдается различие в результатах для групп, то это свидетельствует о том, что лечение отвечает за результат, или, другими словами, лечение вызывает наблюдаемый эффект. Однако наблюдаемый эффект также может быть вызван «случайностью», например, в результате случайных возмущений в популяции. Существуют статистические тесты для количественной оценки вероятности ошибочного заключения о том, что наблюдаемая разница существует, хотя на самом деле ее нет (например, см. P-значение ).

Оперативные определения причинности

Клайв Грейнджер создал первое операциональное определение причинности в 1969 году.[18] Грейнджер дал определение вероятностная причинность предложено Норберт Винер операционная как сравнение отклонений.[19]

Проверка по «правде»

Питер Спиртес, Кларк Глимор, и Ричард Шайнс представил идею явного отказа от определения причинности[требуется разъяснение ].[3] Спиртес и Глимур представили алгоритм ПК для обнаружения причин в 1990 году.[20] Многие недавние алгоритмы обнаружения причин следуют подходу Спиртеса-Глимора к проверке.[21]

Исследовательский

Основная статья: Исследовательский причинно-следственный анализ

Исследовательский причинно-следственный анализ, также известный как "причинно-следственная связь данных" или "причинное обнаружение"[3] использование статистических алгоритмы сделать вывод о связях в наборах наблюдаемых данных, которые потенциально могут быть причинными при строгих предположениях. ЭКА - это разновидность причинный вывод в отличие от причинное моделирование и эффекты лечения в рандомизированные контролируемые испытания.[4] это поисковые исследования обычно предшествует более формальным причинное исследование таким же образом разведочный анализ данных часто предшествует статистическая проверка гипотез в анализ данных[22][23]

Компьютерные программы для измерения "причинности по Грейнджеру"

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ Рольфинг, Инго; Шнайдер, Карстен К. (2018). «Объединяющая основа для причинного анализа в теоретико-множественных мультиметодных исследованиях» (PDF). Социологические методы и исследования. 47 (1): 37–63. Дои:10.1177/0049124115626170. Получено 29 февраля 2020.
  2. ^ Брэди, Генри Э. (7 июля 2011 г.). «Причинно-следственная связь и объяснение в социальных науках». Оксфордский справочник по политологии. Дои:10.1093 / oxfordhb / 9780199604456.013.0049. Получено 29 февраля 2020.
  3. ^ а б c Spirtes, P .; Glymour, C .; Шайнс, Р. (2012). Причинно-следственная связь, прогнозирование и поиск. Springer Science & Business Media. ISBN  978-1461227489.
  4. ^ а б Розенбаум, Пол (2017). Наблюдение и эксперимент: введение в причинный вывод. Издательство Гарвардского университета. ISBN  9780674975576.
  5. ^ Жемчуг, Иудея (2018). Книга почему: новая наука о причине и следствии. Основные книги. ISBN  978-0465097616.
  6. ^ Клейнберг, Саманта (2015). Зачем: руководство по поиску и использованию причин. O'Reilly Media, Inc. ISBN  978-1491952191.
  7. ^ Illari, P .; Руссо, Ф. (2014). Причинность: философская теория встречается с научной практикой. ОУП Оксфорд. ISBN  978-0191639685.
  8. ^ Фишер, Р. (1937). Дизайн экспериментов. Оливер и Бойд.
  9. ^ Хилл, Б. (1955). Принципы медицинской статистики. Ланцет Лимитед.
  10. ^ Халперн, Дж. (2016). Фактическая причинность. MIT Press. ISBN  978-0262035026.
  11. ^ Pearl, J .; Glymour, M .; Джуэлл, Н. П. (2016). Причинно-следственный вывод в статистике: учебник. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-1119186847.
  12. ^ Стоун Р. (1993). «Предположения, на которых основываются причинные выводы». Журнал Королевского статистического общества. Серия B (Методологическая). 55 (2): 455–466. Дои:10.1111 / j.2517-6161.1993.tb01915.x.
  13. ^ а б Биби, Хичкок и Мензис 2009
  14. ^ Моррис, Уильям Эдвард (2001). "Дэвид Хьюм". Стэнфордская энциклопедия философии.
  15. ^ Ллойд, A.C. (1976). «Принцип, согласно которому причина больше, чем ее следствие». Фронезис. 21 (2): 146–156. Дои:10.1163 / 156852876x00101. JSTOR  4181986.
  16. ^ Голландия, Пол В. (1986). «Статистика и причинно-следственный вывод». Журнал Американской статистической ассоциации. 81 (396): 945–960. Дои:10.1080/01621459.1986.10478354.
  17. ^ Жемчуг, Иудея (2000). Причинная связь: модели, рассуждения и выводы. Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521773621.
  18. ^ Грейнджер, К. У. Дж. (1969). «Исследование причинно-следственных связей с помощью эконометрических моделей и кросс-спектральных методов». Econometrica. 37 (3): 424–438. Дои:10.2307/1912791. JSTOR  1912791.
  19. ^ Грейнджер, Клайв. «Лекция о премии. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2018».
  20. ^ Spirtes, P .; Глимур, К. (1991). «Алгоритм быстрого восстановления разреженных причинных графов». Компьютерный обзор социальных наук. 9 (1): 62–72. Дои:10.1177/089443939100900106. S2CID  38398322.
  21. ^ Го, Руочэн; Ченг, Лу; Ли, Цзюньдун; Хан, П. Ричард; Лю, Хуань (2018). «Исследование причинно-следственной связи обучения с данными: проблемы и методы». arXiv:1809.09337.
  22. ^ Маккракен, Джеймс (2016). Исследовательский причинно-следственный анализ с данными временных рядов (синтез лекций по интеллектуальному анализу данных и открытию знаний). Издатели Morgan & Claypool. ISBN  978-1627059343.
  23. ^ Тьюки, Джон В. (1977). Исследовательский анализ данных. Пирсон. ISBN  978-0201076165.

Библиография