Корреляция не подразумевает причинно-следственной связи - Википедия - Correlation does not imply causation

В статистика, фраза "корреляция не подразумевает причинно-следственной связи" относится к неспособности законно вывести причина и следствие отношения между двумя переменные исключительно на основе наблюдаемой ассоциации или корреляция между ними.^[1][2] Идея о том, что «корреляция подразумевает причинную связь», является примером сомнительная причина логическая ошибка, в котором два события, происходящие вместе, считаются установившими причинно-следственную связь. Это заблуждение также известно под латинским выражением диплом hoc ergo propter hoc ('с этим, значит, из-за этого'). Это отличается от заблуждения, известного как post hoc ergo propter hoc («после этого, следовательно, из-за этого»), в котором событие, следующее за другим, рассматривается как необходимое следствие бывшего события.

Как и в случае с любой логической ошибкой, определение того, что аргументация аргумента неверна не обязательно подразумевает что полученный вывод ложен. Были предложены методы, использующие корреляцию в качестве основы для проверка гипотез причинно-следственной связи, в том числе Тест причинности по Грейнджеру и сходящееся перекрестное отображение.

использование

В логика, техническое использование слова "подразумевает" означает "является Достаточное состояние за".^[3] Именно это подразумевают статистики, когда говорят, что причинно-следственная связь не определена. В самом деле, p влечет q имеет технический смысл материальный условный: если p, то q символизируется как p → q. То есть «если обстоятельства п верно, тогда q следует ». В этом смысле всегда правильно сказать:« Корреляция не подразумевать причинно-следственная связь. "В повседневном употреблении слово" подразумевает "в широком смысле означает предлагает скорее, чем требует.

Там, где есть причинно-следственная связь, есть корреляция, а также последовательность во времени от причины к следствию, вероятный механизм, а иногда и общие и промежуточные причины. Хотя корреляция часто используется при выводе причинно-следственной связи, потому что это необходимое условие, этого недостаточно.

В широко изученном примере трудностей, которые эта возможность статистической ошибки создает при определении причины, многочисленные эпидемиологические исследования показали, что женщины, принимающие комбинированные заместительная гормональная терапия (ЗГТ) также имели частоту ниже среднего ишемическая болезнь сердца (CHD), что привело врачей к предположению, что ЗГТ защищает от CHD. Но позже рандомизированные контролируемые испытания показали, что использование ЗГТ привело к небольшому, но статистически значимый увеличивать в риске ИБС. Повторный анализ данных эпидемиологических исследований показал, что женщины, получавшие ЗГТ, чаще были из более высоких социально-экономические группы (ABC1 ), с диетой и режимами физических упражнений выше среднего. Таким образом, использование ЗГТ и снижение заболеваемости ишемической болезнью сердца были совпадающими эффектами общей причины (то есть преимуществами, связанными с более высоким социально-экономическим статусом), а не одной прямой причиной другой, как предполагалось.^[4] Широко распространенное (но ошибочное) мнение о том, что РКИ предоставляют более сильные доказательства причинно-следственной связи, чем обсервационные исследования, последние продолжали неизменно демонстрировать преимущества, а последующий анализ и последующие исследования продемонстрировали значительную пользу для риска ИБС у здоровых женщин, начавших терапию эстрогенами вскоре после наступление менопаузы.^[5]

Причинно-следственный анализ

Причинный анализ - это область экспериментальная конструкция и статистика относящиеся к установлению причины и следствия.^[6][7] Для любых двух коррелированных событий, A и B, их возможные отношения включают:

• A вызывает B (прямая причинность);
• B вызывает A (обратная причинность);
• A и B оба вызваны C
• A вызывает B, а B вызывает A (двунаправленная или циклическая причинность);
• Нет связи между A и B; корреляция совпадение.

Таким образом, нельзя сделать никаких выводов относительно существование или направление причинно-следственной связи только из того, что А и В коррелированы. Чтобы определить, существует ли фактическая причинно-следственная связь, требуется дальнейшее исследование, даже если связь между А и B является статистически значимый, большой размер эффекта наблюдается, или большая часть расхождение объясняется.

По философии и физике

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.^[8] 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.^[9] 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.^[8] 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 через Второй закон термодинамики, подтверждая древние, средневековые и Декартово^[10] 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

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.^[11]

Основная цель научных эксперименты а статистические методы должны максимально приблизить контрфактическое состояние мира.^[12] 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 посещение парка развлечений) оказывает причинное влияние на результаты тестов. В этом случае корреляция между результатами обучения и тестами почти наверняка подразумевает 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 вывода о том, что наблюдаемое различие существует, хотя на самом деле его нет (например, см. P-значение ).

Причинно-следственная связь, предсказанная экстраполяцией тенденций

Когда экспериментальные исследования невозможны и доступны только ранее существовавшие данные, как это обычно бывает, например, в экономика, регрессивный анализ может быть использован. Факторы, отличные от интересующей потенциальной причинной переменной, контролируются путем включения их в качестве регрессоров в дополнение к регрессору, представляющему интересующую переменную. Ложных выводов о причинно-следственной связи из-за обратной причинно-следственной связи (или неправильных оценок величины причинно-следственной связи из-за наличия двунаправленной причинно-следственной связи) можно избежать, используя пояснители (регрессоры ), которые обязательно экзогенный, например, физические объяснения, такие как количество осадков (как определяющий фактор, скажем, фьючерсных цен), запаздывающие переменные, значения которых были определены до определения значения зависимой переменной, инструментальные переменные для объяснений (выбранных на основе их известной экзогенности) и т. д. См. Причинно-следственная связь # Статистика и экономика. Ложная корреляция из-за взаимного влияния третьей, общей, причинной переменной избежать труднее: модель должна быть указана таким образом, чтобы было теоретическое основание полагать, что никакая такая основная причинная переменная не была исключена из модели.

Примеры нелогичного вывода причинно-следственной связи из корреляции

B вызывает A (обратная причинность или обратная причинность)

Обратная причинно-следственная связь или же обратная причинность или же неправильное направление является неформальная ошибка из сомнительная причина где причина и следствие меняются местами. Причина называется следствием, и наоборот.

Пример 1

Чем быстрее наблюдается вращение ветряных мельниц, тем сильнее наблюдается ветер.

Следовательно, ветер вызывается вращением ветряных мельниц. (Или, проще говоря: ветряные мельницы, как указывает их название, - это машины, используемые для производства ветра.)

В этом примере корреляция (одновременность) между работой ветряной мельницы и скоростью ветра не означает, что ветер вызывается ветряными мельницами. Это скорее наоборот, о чем свидетельствует тот факт, что ветру не нужны ветряные мельницы для существования, в то время как ветряным мельницам нужен ветер для вращения. Ветер можно наблюдать там, где нет ветряных мельниц или невращающихся ветряных мельниц, и есть веские основания полагать, что ветер существовал до изобретения ветряных мельниц.

Пример 2

В других случаях может быть просто неясно, что является причиной, а что следствием. Например:

Дети, которые много смотрят телевидение самые жестокие. Очевидно, что телевидение делает детей более жестокими.

Это могло легко быть наоборот; То есть жестокие дети любят больше смотреть телевизор, чем менее жестокие.

Пример 3

Корреляция между рекреационное употребление наркотиков и психические расстройства может быть в любом случае: возможно, лекарства вызывают расстройства, или, возможно, люди употребляют наркотики, чтобы заниматься самолечением для уже существующих условий. Теория о наркотиках могу утверждать, что марихуана употребление приводит к употреблению более сильных наркотиков, но употребление тяжелых наркотиков может привести к употреблению марихуаны (см. также путаница обратного ). Действительно, в социальные науки там, где контролируемые эксперименты часто не могут быть использованы для определения направления причинно-следственной связи, это заблуждение может подпитывать давние научные аргументы. Один из таких примеров можно найти в экономика образования, между скрининг /сигнализация и человеческий капитал модели: это может быть либо то, что наличие врожденных способностей позволяет человеку завершить образование, либо завершение образования развивает его способности.

Пример 4

Историческим примером этого является то, что европейцы в Средний возраст считал, что вши были полезны для вашего здоровья, так как вши редко появлялись на больных. Причина заключалась в том, что люди заболели, потому что ушли вши. Однако настоящая причина в том, что вши чрезвычайно чувствительны к температуре тела. Небольшое повышение температуры тела, например, при высокая температура, заставит вшей искать другого хозяина. Медицинский термометр еще не изобрели, поэтому такое повышение температуры замечалось редко. Заметные симптомы проявились позже, создавая впечатление, что вши ушли раньше, чем человек заболел.^[13]

В других случаях два явления могут быть частичной причиной другого; подумайте о бедности и необразованности, или промедлении и низкой самооценке. Однако тот, кто делает аргумент, основанный на этих двух явлениях, должен быть осторожен, чтобы избежать ошибки круговая причина и следствие. Бедность а причина отсутствия образования, но это не единственный причина, и наоборот.

Третий фактор C (общая причинная переменная) вызывает как A, так и B

В ошибка третьей причины (также известный как игнорирование общей причины^[14] или же сомнительная причина^[14]) это логическая ошибка где ложные отношения путают с причинность. Он утверждает, что X вызывает Y, тогда как на самом деле X и Y оба вызваны Z. Это разновидность post hoc ergo propter hoc заблуждение и член сомнительная причина группа заблуждений.

Все эти примеры относятся к скрытая переменная, которая является просто скрытой третьей переменной, влияющей на обе причины корреляции. Сложность также часто возникает, когда третий фактор, хотя и принципиально отличается от A и B, настолько тесно связан с A и / или B, что его можно спутать с ними или очень сложно с научной точки зрения отделить от них (см. Пример 4).

Пример 1

Сон в обуви сильно коррелирует с пробуждением с головной болью.

Поэтому сон в обуви вызывает головную боль.

Приведенный выше пример допускает ошибку корреляции, подразумевающей причинно-следственную связь, поскольку преждевременно делается вывод о том, что сон в обуви вызывает головную боль. Более правдоподобное объяснение заключается в том, что и то и другое вызвано третьим фактором, в данном случае ложным сном. пьяный, что тем самым приводит к корреляции. Так что вывод ложный.

Пример 2

Маленькие дети, которые спят с включенным светом, гораздо чаще развивают миопия в более поздней жизни.

Поэтому сон при включенном свете вызывает близорукость.

Это научный пример, полученный в результате исследования Пенсильванский университет Медицинский центр. Опубликовано в номере журнала от 13 мая 1999 г. Природа,^[15] В то время это исследование широко освещалось в популярной прессе.^[16] Однако более позднее исследование в Государственный университет Огайо не нашел этого младенцы сон при включенном свете вызвал развитие миопии. Он действительно обнаружил сильную связь между родительской близорукостью и развитием детской миопии, а также отметил, что близорукие родители с большей вероятностью оставляли свет включенным в спальне своих детей.^{[17][18][19][20]} В данном случае причиной обоих состояний является миопия родителей, и вышеприведенное заключение неверно.

Пример 3

По мере увеличения продаж мороженого резко возрастает количество смертей от утопления.

Следовательно, потребление мороженого вызывает утопление.

В этом примере не учитывается важность времени года и температуры для продаж мороженого. Мороженое продается в жаркие летние месяцы по гораздо более высоким ценам, чем в более холодное время, и именно в эти жаркие летние месяцы люди с большей вероятностью будут заниматься деятельностью, связанной с водой, например плавание. Увеличение числа смертей от утопления просто вызвано большим воздействием на воду, а не мороженым. Заявленный вывод неверен.

Пример 4

Гипотетическое исследование показывает взаимосвязь между оценками тестовой тревожности и застенчивостью со статистической оценкой. р значение (сила корреляции) +,59.^[21]

Таким образом, можно просто сделать вывод, что застенчивость в некоторой степени причинно влияет на тревожность при тестировании.

Однако, как обнаруживается во многих психологических исследованиях, обнаруживается еще одна переменная, «оценка самосознания», которая имеет более резкую корреляцию (+,73) с застенчивостью. Это наводит на мысль о возможной проблеме "третьей переменной", однако, когда обнаруживаются три таких тесно связанных показателя, это также предполагает, что каждая из них может иметь двунаправленные тенденции (см. "двунаправленная переменная ", выше), являясь кластером коррелированных значений, каждая из которых в той или иной степени влияет друг на друга. Следовательно, простой вывод, сделанный выше, может быть ложным.

Пример 5

С 1950-х годов оба атмосферных CO₂ уровень и ожирение уровни резко возросли.

Следовательно, атмосферный CO₂ вызывает ожирение.

Более богатые люди, как правило, едят больше еды и производят больше CO.₂.

Пример 6

HDL ("хороший") холестерин отрицательно коррелирует с частотой сердечного приступа.

Таким образом, прием лекарств для повышения ЛПВП снижает вероятность сердечного приступа.

Дальнейшие исследования^[22] поставил этот вывод под сомнение. Вместо этого возможно, что другие основные факторы, такие как гены, диета и упражнения, влияют как на уровни ЛПВП, так и на вероятность сердечного приступа; возможно, что лекарства могут повлиять на непосредственно измеряемый фактор, уровни ЛПВП, не влияя на вероятность сердечного приступа.

Двунаправленная причинность: A вызывает B, а B вызывает A

Причинность не обязательно односторонняя;^{[сомнительный – обсуждать]} в отношения хищник-жертва количество хищников влияет на количество жертв, но количество жертв, то есть количество пищи, также влияет на количество хищников. Другой известный пример: у велосипедистов ниже Индекс массы тела чем люди, которые не ездят на велосипеде. Это часто объясняется предположением, что езда на велосипеде увеличивает физическая активность уровни и, следовательно, снижает ИМТ. Поскольку результаты проспективных исследований людей, которые чаще используют велосипед, показывают меньшее влияние на ИМТ, чем перекрестные исследования, также может иметь место некоторая обратная причинно-следственная связь (т.е. люди с более низким ИМТ с большей вероятностью будут ездить на велосипеде). ^[23]

Отношения между A и B случайны

Эти две переменные никак не связаны, но коррелируют случайно. Чем больше исследуется, тем больше вероятность того, что две несвязанные переменные окажутся связанными. Например:

• Результат последней домашней игры Вашингтон Редскинз до президентских выборов предсказал исход всех президентских выборов с 1936 по 2000 год включительно, несмотря на то, что исход футбольных матчей не имел никакого отношения к исходу народных выборов. Эта полоса была окончательно прервана 2004 (или же 2012 с использованием альтернативной формулировки исходного правила).
• В Закон Мершайда, что коррелирует Социал-демократическая партия Германии доля всенародное голосование с размером производства сырой стали в Западной Германии.
• Чередование лысый – волосатый Российские лидеры: Лысый (или явно лысеющий) государственный лидер России сменил не лысого («волосатого»), и наоборот, почти 200 лет.
• В Библейский код, Слова на иврите, предсказывающие исторические события, предположительно скрытые в Тора: огромное количество сочетаний букв делает появление любого слова в достаточно длинном тексте статистически незначимым.

Использование корреляции как научного доказательства

Многие научные данные основаны на корреляции переменных.^[24] - они встречаются вместе. Ученые осторожно подчеркивают, что корреляция не обязательно означает причинную связь. Предположение, что A вызывает B просто потому, что A коррелирует с B, часто не принимается в качестве законной формы аргумента.

Однако иногда люди допускают противоположное заблуждение - полностью игнорируют корреляцию. Это отвергнет большое количество важных научных данных.^[24] Так как запуск контролируемого объекта может быть трудным или этически невозможным двойной слепой исследований, корреляционные данные с нескольких разных точек зрения могут быть полезны для прогноз несмотря на отсутствие доказательств причинность. Например, социальных работников может быть интересно узнать, как жестокое обращение с детьми связано с успеваемостью. Хотя было бы неэтично проводить эксперимент, в котором детей случайным образом распределяют, чтобы они получали или не подвергались жестокому обращению, исследователи могут изучить существующие группы, используя неэкспериментальный корреляционный план. Если на самом деле существует отрицательная корреляция между жестоким обращением и академической успеваемостью, исследователи могут потенциально использовать это знание статистической корреляции, чтобы делать прогнозы о детях вне исследования, которые подвергаются жестокому обращению, даже если исследование не предоставило причинных доказательств того, что насилие снижает академическую успеваемость.^[25] Комбинация ограниченных доступных методологий с отклонением ошибки корреляции иногда использовалась для противодействия научным открытиям. Например, табачная промышленность исторически полагался на отклонение корреляционных свидетельств, чтобы отвергнуть связь между табак и рак легких,^[26] как и биолог и статистик Рональд Фишер.^{[27][28][29][30][31][32][33]}

Корреляция - это ценный вид научных данных в таких областях, как медицина, психология и социология. Но сначала необходимо подтвердить, что корреляции реальны, а затем необходимо систематически исследовать все возможные причинные отношения. В конце концов, корреляция сама по себе не может использоваться в качестве доказательства причинно-следственной связи между лечением и пользой, фактором риска и заболеванием, или социальным или экономическим фактором и различными результатами. Это один из наиболее часто используемых типов доказательств, потому что легко и даже соблазнительно прийти к преждевременным выводам, основанным на предварительном появлении корреляции.^[34]

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

• Биби, Хелен; Хичкок, Кристофер; Мензис, Питер (2009). Оксфордский справочник причинно-следственной связи. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-162946-4.
• Тафт, Эдвард Р. (2006). Когнитивный стиль PowerPoint: устранение пороков внутри (2-е изд.). Чешир, Коннектикут: Графика Пресс. ISBN  978-0-9613921-5-4.