因果推断
辛普森悖论
例子 1
如图:

图中横轴为运动量纵轴为胆固醇含量,每个圈是特定年龄段的人的运动量和胆固醇含量的主要分布情况。
可以知道年龄相同,运动量越多胆固醇越少,但如果没有年龄数据,会得到运动量越多胆固醇越多的结论。
产生这种情况的原因是,年龄同时是运动量和胆固醇含量的因变量:

此时关注分类数据(按年龄分开)更为合理。
例子 2

图中 trt. 意思是吃某种药,recovered 意思是恢复。将男性吃药、不吃药恢复率(恢复人数除以总人数)分别记为 和 ,女性的记为 和 ,总体的(各人数分别相加)记为 和 。
“悖论”的地方在于,图中虽然 ,,但是 。
我们用概率论来分析这个问题。设三个二值的随机变量 ,分别代表是否是男生、是否恢复以及是否吃药。得到:
用边缘概率公式展开 、:
设 为 , 为 ,得到:
由于 和 可以在 0 到 1 内任意取值,所以即使 ,,还是有可能有 (比如令 ,,)。
这里的因果关系和胆固醇那个例子结构一样:

例子 3

这里吃的药会对人体有点毒性(图里的 toxic effect)从而减小恢复概率,但同时会降低血压,以增大恢复概率。
此时看分类数据 ,由于此时样本的血压差不多,所以药物通过血压对恢复起的积极作用就被剔除了,导致结论是吃药的恢复率不如不吃药的。
所以这里应该看总体数据。
总结
这三个例子都只有三个变量,但我们用传统的概率论知识来分析还是有点费劲。因果推断有系统的方法解决这些问题。
统计相关性和因果性
统计相关性不意味着因果性,而因果性大部分情况都代表着统计相关性。
有因果性但没相关性的例子:人体有 A、B 两种疾病,它们要么同时出现要么同时不出现。A 会生成某种东西导致癌症,而 B 能消解 A 的效应防止癌症。那么这样 A 确实会导致癌症(因果性),但由于 B 的存在,A 的存在和患癌没有统计相关性。
基本结构
链式结构
因果图:
这里其实并不是完整的图,我们还假设每个随机变量都有一个额外的父节点,这些节点称为噪声(外生噪声),所有噪声联合独立。
这里有条件独立:。
阻断的解释
可以根据因果图来解释:由于 只能通过 来影响 ,而现在 已经固定(观测到),无法改变,所以说路径 就被阻断了,于是独立。
注意这里观测到 时,
或者这样解释: 被固定后, 给出了 对于 需要的所有信息。
独立性证明(去掉噪声)
设三个变量对应的噪声分别是 、、。
我们需要用 SCM(结构因果模型)的定义:每个随机变量就是噪声的取值和父节点的取值输入进某个函数得到。
比如这里有:
我们又说所有噪声联合独立,那么 。
待补充:完整证明。
这里还可以推导出下面贝叶斯网络的联合分布分解。
有多个 的情况:

这里有 。
例子
回顾辛普森悖论的例子 3,如果固定血压,那么血药促进的恢复效果 就被阻塞,于是只剩下药物本身对恢复的抑制作用。
分叉结构
有 ,两条路径都被阻断。
再来看辛普森悖论的例子 1,这里年龄同时影响了胆固醇和运动量,为了去掉它的影响,我们固定年龄,这样就只有运动量到胆固醇这条边了。 这条边并没因果性,我们固定年龄,可以去掉这条通路产生的相关性,这样就更为客观。
或者这样,如果我们并不知道运动量和胆固醇含量有没有因果性,但是知道运动量会同时控制两者,这样显然先切断我们知道的这个相关性更合理。
对撞结构
这里有 以及 。
比如:
当观测到 后,剩下的两个需要满足约束 ,于是条件不独立(不一定相关,之前有说反例)。