Кодируем причинные макропеременные ✎

Оригинал: "Encoding Causal Macrovariables"
· Benedikt Höltgen
arXiv:2111.14724 · 2021-11-29 · CC BY-NC-ND 4.0 · собственный разбор · 2 мин
Нейросеть учится сжимать данные в переменные, между которыми можно искать причинно-следственные связи.

Контекст

Учёные давно используют крупнозернистые модели, чтобы объяснять поведение мелкозернистых систем. Температура служит макропеременной для кинетической энергии молекул, а в климатических моделях она сама становится микропеременной среди сотен измерений. Подбор подходящих переменных долго оставался делом интуиции, но теперь появились алгоритмы, способные делать это автоматически. Работа стоит рядом с исследованиями по обучению разложимых представлений и причинному выводу, но решает задачу для двух наборов данных сразу.

Методы

Автор строит причинный автоэнкодер из двух стохастических нейросетей, которые обучаются одновременно. Каждая сеть сжимает свой вход в узкое горлышко из нескольких нейронов, а затем предсказывает по нему другой набор данных. Дополнительный выход предсказывает текущее горлышко второй сети, что заставляет переменные вставать в линейную связь. После обучения переменные проходят через вариационные автоэнкодеры, которые ищут монотонные преобразования, минимизирующие зависимость между предиктором и остатком в аддитивной шумовой модели.

Результаты

На синтетических данных с 64-мерными переменными алгоритм устойчиво находил ровно две макропеременные в каждом наборе, как и было заложено в генеративной модели. Для второй пары переменных проверка аддитивной шумовой модели дала HSIC-оценку 0.32 в одном направлении и 3.15 в обратном, что позволило верно определить причину. На климатических данных об Эль-Ниньо алгоритм выделил два паттерна, соответствующих тёплому бассейну и холодному языку. Причинную связь между этими переменными обнаружить не удалось, что согласуется с недельным масштабом данных.

Значение

Работа предлагает способ автоматически строить непрерывные макропеременные, которые сохраняют всю взаимную информацию между двумя наборами данных. В отличие от соседних подходов, которые дают категориальные кластеры, здесь переменные непрерывны и допускают проверку причинных связей. Это открывает путь к более детальному анализу сложных систем, где причинные паттерны не имеют естественной числовой шкалы.

Развитие

Архитектуру причинного автоэнкодера можно расширить до рекуррентных или свёрточных сетей, чтобы работать с временными рядами и изображениями. Другое направление связано с теоретическим обоснованием связи между взаимной информацией в наблюдательных данных и мерами причинности из интервенционных распределений. Также стоит исследовать другие ограничения на функции между переменными, чтобы получать более интерпретируемые модели.

Влияние

Метод может пригодиться в климатологии, нейробиологии и экономике, где нужно строить высокоуровневые модели по многомерным наблюдениям.

Следующие шаги

Проверить подход на более сложных синтетических данных с общими причинами и на временных рядах, а также сравнить с другими методами причинного вывода.

Ключевые проблемы

Работа затрагивает фундаментальную проблему выбора переменных для причинных моделей, которую философы науки только начинают систематизировать. Остаётся открытым вопрос, насколько критерии Вудворда выполнимы на практике и как оценивать возможность вмешательства в обнаруженные переменные.

Алгоритм обнаружил два известных типа Эль-Ниньо, хотя ему не сообщали о существовании этого явления.

Поиск скрытых причинных переменных напоминает попытки героев Айзека Азимова вывести законы психоистории из хаоса галактической истории.

L[p(x|x)] = I(X; X) - β·I(X; Y)
Баланс между сжатием данных и сохранением информации о другой переменной
loss_netX = d1(Y, Ŷ) + β·DKL(N(0,1)||q(X|X)) + γ·d2(Y, Ŷ)
Сумма ошибок предсказания, регуляризации и согласования горлышек

Ключевые числа

  • размерность синтетических данных: 64
  • число обнаруженных переменных на синтетике: 2
  • разница HSIC для причинной пары: 0.32 против 3.15
  • размер климатической сетки: 9×55 точек
  • число недель в климатических данных: 13140
Понятия
прогноз причинность по Грейнджеру многомерный индекс ЭНСО нейронные сети эль-ниньо эвиденциальные нейронные сети сезонный цикл параметр межгодовая изменчивость ERSST естественная изменчивость прогностическая модель вероятностная модель распространение экваториальных волн вероятностный прогноз сезонный форсинг индекс Эль-Ниньо размеченные данные композитный анализ статистический анализ