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删除86字节 、 2024年6月7日 (五) 08:38
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有效信息(EI)指标主要用来度量马尔科夫动力学的因果效应强度。然而,与一般的因果度量指标不同,EI度量主要用于动力学(马尔科夫的转移概率矩阵)已知,且不存在着未知变量的情况,且其核心目标是度量因果变量彼此之间的因果关联强度,而并非是否存在因果效应。也就是说,EI主要应用于已知X和Y存在着因果关系的场合,并且这种因果相互作用的机制是已知的情形,EI度量的是这一因果相互作用关系的强弱。
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有效信息(EI)指标主要用来度量马尔科夫动力学的因果效应强度。与一般的因果度量指标不同,EI主要用于动力学(马尔科夫的转移概率矩阵)已知,且不存在未知变量即[[混杂因子]]的情况。其核心目标是度量因果关联强度,而并非是否存在因果效应。也就是说,EI更适用于已经确知了因果变量X和Y之间存在着因果联系的场合。
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更正式地说,EI是因果机制(在离散状态的马尔科夫链中,是这个概率转移矩阵)的函数,而与其它因素无关。EI的正式定义:
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更正式地,EI是因果机制(在离散状态的[[马尔科夫链]]中,是这个马尔科夫链的[[概率转移矩阵]])的函数,而与其它因素无关。EI的正式定义为:
    
<math>
 
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EI\equiv I(Y;X|do(X\sim U))
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EI(P)\equiv I(Y;X|do(X\sim U))
 
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这里,X是因变量,Y是果变量,[math]do(X\sim U)[/math]表示对因变量X进行[[do干预]],将X的分布变为均匀分布。在这一干预下,同时假设X到Y的因果机制(在马尔科夫链的情况下,就是转移概率矩阵)即f(X)保持不变,因此,Y也会间接地收到X的do干预的影响而发生变化。则EI度量的是经过干预后的X和Y之间的互信息。
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这里,X是因变量,Y是果变量,[math]do(X\sim U)[/math]表示对因变量X进行[[do干预]],将X的分布变为均匀分布,P代表X到Y的因果机制,它是一个概率转移矩阵,即[math]p_{ij}\euiv Pr(Y=j|X=i)[/math]。在这一干预下,同时假设X到Y的因果机制P保持不变,那么,Y就会间接地受到X的do干预的影响而发生变化。则EI度量的是经过干预后的X和Y之间的互信息。
    
之所以引入do操作,目的是为了消除数据X的分布对EI的影响,以使得最后的EI度量仅仅是因果机制f的函数,而与数据X无关。
 
之所以引入do操作,目的是为了消除数据X的分布对EI的影响,以使得最后的EI度量仅仅是因果机制f的函数,而与数据X无关。
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{{NumBlk|:||{{EquationRef|example}}}}
 
{{NumBlk|:||{{EquationRef|example}}}}
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我们可以看到,第一个矩阵[math]P_1[/math]的EI比第二个[math]P_2[/math]的高,这是因为这一概率转移是一个完全确定性的转移,也就是从某一个状态出发,它会以100%的概率转移到另一个状态。然而,并不是所有的确定性转移的矩阵都会对应较大的EI,比如[math]P_3[/math]这个矩阵,虽然它的转移概率也是100%,但是因为所有后面三种状态都会转移到第1个状态,因此我们将无法区分如果我们观察到系统处于1状态,它上一时刻是处于何种状态,因此它的EI就会比较低。我们称后一种情况存在着简并性。因此,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。进一步,存在如下对EI的分解:
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我们可以看到,第一个矩阵[math]P_1[/math]的EI比第二个[math]P_2[/math]的高,这是因为这一概率转移是一个完全确定性的转移,也就是从某一个状态出发,它会以100%的概率转移到另一个状态。然而,并不是所有的确定性转移的矩阵都会对应较大的EI,比如[math]P_3[/math]这个矩阵,虽然它的转移概率也都是100%,但是因为所有后面三种状态都会转移到第1个状态,因此我们将无法区分它上一时刻是处于何种状态的。因此这种情况下它的EI也会比较低。我们称后一种情况存在着简并性。因此,如果一个转移矩阵具有较高的确定性和较低的简并性,则它的EI就会很高。进一步,存在如下对EI的分解:
    
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这里,Det是对确定性(Determinism)的缩写,而Deg是对简并性(Degeneracy)的缩写,EI是二者之差。在上面的表格中,我们将矩阵所对应的Det和Deg也都列在了下面。
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这里,Det是对确定性(Determinism)的缩写,而Deg是对简并性(Degeneracy)的缩写,EI是二者之差。在上面的表格中,我们将矩阵所对应的Det和Deg数值也都列在了下面。
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第一个转移概率矩阵是一个置换排列矩阵(Permutation),它是可逆的,因此确定性最高,没有简并性,因而EI最大;第二个矩阵的前三个状态都会以1/3的概率跳转到彼此,因此确定性程度最低,而简并很低,也就是非简并的,EI是0.81;第三个矩阵虽然也是确定性的矩阵,因而确定性最高,但是由于后三个状态都跳转到1,因此,从1状态不能推知它来自于哪个状态,因此简并性最高,最终的EI与第二个相同,仍然是0.81。
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第一个转移概率矩阵是一个[[置换排列矩阵]](Permutation),它是可逆的,因此确定性最高,没有简并性,因而EI最大;第二个矩阵的前三个状态都会以1/3的概率跳转到彼此,因此确定性程度最低,而简并性也很低,EI是0.81;第三个矩阵虽然也是确定性的矩阵,因而确定性最高,但是由于后三个状态都跳转到1,因此,从1状态不能推知它来自于哪个状态,因此简并性最高,最终的EI与第二个相同,仍然是0.81。
     

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