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[人工智能]因果推断笔记—— 相关理论:Rubin Potential、Pearl、倾向性得分、与机器学习异同(二) |
文章目录1 一些因果推断涉及概念1.1 内生性问题1.1.1 内生性解释经典的多元回归模型开始,下面给出4个基础假定。
1.1.2 内生性问题有四种常见形式
1.1.3 内生性的解决方案1.自然实验法所谓自然实验,就是发生了某些外部突发事件,使得研究对象仿佛被随机分成了实验组或控制组。这是我最喜欢的方法,只是自然实验需要寻找一个事件,并且这个事件只影响解释变量而不影响被解释变量。遇着这种事件是一种缘分,还要能识别出来,这对学者的眼光也是一种挑战。 2.双重差分法Difference-in-Difference (DID)一般称为双重差分法,或倍差法。倘若出现了一次外部冲击,这次冲击影响了一部分样本,对另一部分样本则无影响,而我们想看一下这次外部冲击到底有何影响,双重差分法就是用来研究这次冲击的净效应的。 3.工具变量法这是一种处理内生性问题的经典方法,或者说被滥用最严重的方法。这种方法相信大家都已经学过,就是找到一个变量和内生解释变量相关,但是和随机扰动项不相关。
这里借用连玉君 的讲义
4. 动态面板回归法基本思想是将解释变量和被解释变量的滞后项作为工具变量(IV)。其实,这种处理方法,除非万不得已,不推荐这种方法,也不太相信这种方法能真正缓解内生性问题。可是,确实很多人都在用。 1.3 因果分析两个框架1.3.1 Rubin potential Outcome 虚拟事实模型寻找合适的对照组 1.3.2 Pearl causal Graph因果图有向图描述变量之间的因果关系。通过计算因果图中的条件分布,获得变量之间的因果关系。有向图指导我们使用这些条件分布来消除估计偏差,其核心也是估计检验分布、消除其他变量带来的偏差。 1.3.3 两个框架之间的联系
1.9 因果推断与回归的差异?https://www.zhihu.com/question/266812683/answer/505659271 回归是工具,意味着不管是因果推断还是预测,都可以使用回归;回归在因果推断中,只是拟合条件期望的工具。 1.0 额外:调节效应与中介效应由这里出发我们再来看另外一对非常有意思的概念:调节效应与中介效应,这俩应该也是可以用因果链来描述的。 调节作用是研究X对Y的影响时,是否会受到调节变量Z的干扰 2 pearl 因果图的一些定义
在生成因果图中,常遇到的限制是算法层面的,比如我们在优化目标函数的时候,需要遍历所有的因果图,是一个NP-hard问题,我们需要有效的算法得到想要的估计,市面上的算法大概分为两类:
因果图的结构是预设的还是模型结构输出的? 2.1 有向无环图(Directed Acyclic Graph) - DAG有向图中 “父亲” 和“后代”的概念:有向箭头上游的变量是“父亲”,下游的变量是“后代”。 图模型也并不是 Judea Pearl 发明的。但是,早期将图模型作为因果推断的工具,成果并不深刻,大家也不太清楚仅仅凭一个图,怎么能讲清楚因果关系。教育、心理和社会学中常用的结构方程模型(structural equation model: SEM),就是早期的尝试;甚至可以说 SEM 是因果图的先驱。 2.2 do 算子——在干预的前提下的概率DAG 中的箭头,似乎表示了某种 “因果关系”。但是,要在 DAG 上引入“因果” 的概念,则需要引进 do 算子,do 的意思可以理解成 “干预” (intervention)。 https://www.zhihu.com/question/283897078/answer/756671333 2.3 “后门准则”(backdoor criterion)和“前门准则”(frontdoor criterion)如果整个 DAG 的结构已知且所有的变量都可观测,那么我们可以根据上面 do 算子的公式算出任意变量之间的因果作用。但是,在绝大多数的实际问题中,我们既不知道整个 DAG 的结构,也不能将所有的变量观测到。因此,仅仅有上面的公式是不够的。 这两个准则的意义在于:
简单来看一下:
检验得到的结论:
2.4 后门、前门准则四则例子再来看四个例子: 根据后门准则, X 阻断了 T 到 Y 的后门路径,因此,根据 X 做调整可以得到 T 对 Y 的因果作用。 X 是 T 的 “后代” 且是 Y 的“父亲”。很多地方称,此时 X 处于 T 到 Y 的因果路径上(中介效应)。 T 和 Y 之间的相关性就是因果作用。但是,复杂性在于 X 和 Y 之间有一个共同的但是不可观测的原因 U。 这个图常常被 Judea Pearl 用来批评 Donald Rubin,因为它存在一个有趣的 M 结构。 2.5 因果图用DAG来表示的一些问题
3 Potential Outcome快手因果推断与实验设计 3.1 方法一:双重差分 - difference-in-difference -DID同一对象的同一干预treatment,前、后两个时间段的差异
3.2 方法二:合成控制SCM——Synthetic Control Method当treatment施加到一个群体或者地区上时,很难找到单一的对照组,这种时候采用合成控制方法构造虚拟对照组进行比较,原理是构造一个虚拟的对照组,通过treatment前的数据上学习的权重,拟合实验组在实验开始前的数据,模拟实验组用户在没有接受实验情况下的结果,构造合成控制组,实验开始后,评估实验组和合成控制组之间的差异。 听到最多的例子是,加州于1989年实施的禁烟法案, 但愿看看该法案是否下降了烟草的消费量。由于这个禁烟法案只在加州范围内有政策效果,所以传统的DID方法就没有那么好用了,由于这里的实验组就只有一个成员——加州。ui SCM的基本思想是,使用其余38个未实施禁烟法案的州的加权平均来合成一个“加州”,经过对比真实的加州和合成的加州在1989年禁烟法案以后香烟消费量的差别来识别出政策效应。code 在合成控制法中,有一些关键变量比较重要,所以值得咱们提出来单独说一说。如下就是咱们使用一个吸烟数据集,就加州1989年实施的禁烟法案对该州香烟消费量(销售量)的影响所作的合成控制法 合成的一种方法是利用,其他38个洲,1970-1988数据构造回归, 3.3 断点回归模型该模型的主要思想在于,寻找一个参考变量,该变量的某临界值能够决定哪个个体能够成为政策干预对象即处理组,哪个个体不能成为政策干预对象即控制组,将控制组的结果变量作为处理组的反事实状态。 断点回归可分为精确断点回归和模糊断点回归。 精确断点回归假设干预分配完全由参考变量决定,而模糊断点回归则假设干预状态不是完全由参考变量决定,还与其他未观测到的因素有关。 精确断点回归与其他几种政策评估的不同之处在于,其不满足共同区间假设,即当参考变量大于临界值时,所有个体都进入处理组,而当参考变量小于临界值时,所有个体都进入控制组。 断点回归模型的主要缺点在于,若个体能够精确控制是否接受政策的参考变量,那么临界点附近的干预状态的分配就接近完全随机实验的结果,断点回归的估计将无效。 此外,断点回归模型和完全随机实验一样,内部有效性较强,而外部有效性较弱,即只能估计断点处的平均因果效应,不能简单推广到其他位置。 针对该问题,Angrist 和Rokkanen(2015)引入了类似于匹配方法的条件独立性假设,假设引入其他协变量后,参考变量和潜在结果之间是独立的,只要根据协变量而不是参考变量进行匹配,可以将因果效应外推到断点左右任意位置。 4 Rubin Causal Model(RCM)与倾向性得分平均因果作用ACE(average causal effect), 4.1 基于倾向性评分法的因果推断倾向性评分法由Rosenbaum和Rubin于1983年首次提出,是控制混淆变量的常用方法,其基本原理是将多个混淆变量的影响用一个综合的倾向性评分来表示,从而降低了混淆变量的维度。 倾向性评分是给定混淆变量W的条件下,个体接受Treatment的概率估计,即 P(T=1|W)。 4.2 因果效应估计三种方法需要择一选择:
4.3 倾向性评分法的均衡性检验倾向性评分法要求匹配后样本的所有混淆变量在处理组和对照组达到均衡,否则后续分析会有偏差,因此需要对匹配之后的样本进行均衡性检验。 4.4 反驳反驳(Refute)使用不同的数据干预方式进行检验,以验证倾向性评分法得出的因果效应的有效性。反驳的基本原理是,对原数据进行某种干预之后,对新的数据重新进行因果效应的估计。
4.5 倾向性得分案例Lalonde数据集是因果推断领域的经典数据集 4.5.1 第一步:使用倾向性评分法估计因果效应各种倾向性评分法的因果效应估计值在图表7中,由于不同方法的原理不同,估计的因果效应值也不同。其中倾向性评分匹配法(PSM)因果效应估计值为2196.61,即参加职业培训可以使得一个人的收入增加约2196.61美元 另外从ATE和几个估计方法的差异来看,ATE 与PSS/PSW差异不大(说明混淆变量影响不大),PSM差异较大,所以可能PSM不太稳定。 4.5.2 第二步:评估各倾向性评分方法的均衡性图表8展示了各倾向性评分方法中,每个混淆变量的标准化差值stddiff。总体来看,倾向性评分加权法(PSW)中各混淆变量的标准化差值最小(除了hisp),说明PSW中混淆变量在处理组和对照组间较均衡,其因果效应估计值可能更可靠。 4.5.3 第三步:反驳图表8展示了100次反驳测试中,三种倾向性评分法的每类反驳测试结果的均值。我们将三种倾向性评分法在真实数据下的因果效应估计值放在图表9最右侧进行对比。 对比真实数据的因果估计效应值,PSM的反驳测试结果大符下降,说明其估计的因果效应不太可靠;
5 因果推断与机器学习5.1 因果推断与机器学习的异同
5.2 方法一:双重机器学习因果推断会遇到混淆变量的问题,比如想要去分析直播推荐多样性对用户活跃度的影响,但是这些都和用户历史相关。传统计量经济学方法可以解决这个问题,但是依赖很多强假设,强假设下,得到的估计不一定合理,双重机器学习为这个问题提供了解决的思路。 双重机器学习假设所有混淆变量都可以被观测,其正则化过程能够达到高维变量选择的目的,与Frisch-Waugh-Lovell定理相似,模型通过正交化解决正则化带来的偏差。 5.3 方法二:因果随机森林模型我们通常探究策略对于不同用户异质性的影响,即哪些用户更容易被影响以及影响有多大,传统做法是多维分析,但是效率低,容易犯错。这时可以结合机器学习的方法,这里选择了决策树方法,因为决策树的分桶特性能够帮助解决异质性问题,相对于传统方法因果树做了两点改动: 把数据分成训练集和估计集,一部分训练集去构造树,另一部分估计集去估计因果效应和方差; 5.4 方法三:Meta-Learner for Uplift Modeling
CIA假设往往不能满足,应该如何降低影响? 6 快手的因果推断与实验设计6.1 快手:双边实验设计
然而双边实验只能描述简单的组间溢出,在个体和个体之间存在干扰的复杂情况下,双边实验是无法帮助我们判断实验效果,例如直播PK暴击时刻这种情况下,我们通过时间片轮转实验解决,即在一定实验对象上进行实验组策略和对照组策略的反复切换。 6.2 快手:时间片轮转实验
当我们不知道一个时间片实验时间节点如何设计时,通常采取的步骤是,预估一个时间,通过实验确定carry over的阶数下限是多少,根据阶数下限,找到最优切换时间点,再进行一次实验,通过实验组和对照组的选择来进行因果效应的估计。其缺点在于,实验周期长,没有办法观测到HTE (heterogeneous treatment estimation)。 6.3 快手:城市实验 + 合成控制
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