因果推断

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薄荷（讨论 | 贡献）2020年10月18日 (日) 13:59的版本 （→‎流行病学）
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因果推断Causal inference是基于某一事件发生的条件得出关于因果联系结论的过程。因果推断与关联推理 inference of association的主要区别在于前者分析了当原因改变时结果变量的响应。[1][2]研究事件因何而起的科学被称为病因学etiology。因果推断是因果推理causal reasoning的一个例子。


定义

对某事原因的推断某事原因的过程被描述为：

  • “...reason[ing] to the conclusion that something is, or is likely to be, the cause of something else（...推论得出某事是（或可能是）其他事情的原因这一结论）”。[3]


  • “Identification of the cause or causes of a phenomenon, by establishing covariation of cause and effect, a time-order relationship with the cause preceding the effect, and the elimination of plausible alternative causes（通过建立因果的共变模型，前因后果的时间顺序联系，以及消除其他可能的替代原因，从而对现象的一个或多个原因进行确认）”。[4]


方法

流行病学 Epidemiological运用不同的流行病模型来收集和衡量危险因素和结果，以及判定两者之间的联系。一个假说被提出来后，然后进行统计学假设检验 Statistical hypothesis testing。这种统计学推断 statistical inference 有助于判断数据是否由偶然性引起，也被称为随机变异 random variation，还是确实相关以及相关性的强弱。然而，相关不意味着因果，因此还需使用其他方法来推断其因果关系。


常见的因果推断框架有结构方程模型 structural equation modeling和Rubin因果模型 Rubin causal model。


流行病学

流行病学 Epidemiology研究特定生物群体的健康和疾病模式 patterns，以推断原因和结果。暴露 exposure 于一般认为的危险因素 risk factor和疾病之间可能存在关联，但不等于确定因果关系，因为相关不意味着因果。从历史上看，自19世纪，科赫法则 Koch's postulates就被用来判断一种微生物是否是引起某种疾病的病因。在20世纪，布拉德福德·希尔准则 Bradford Hill criteria[5]已经被用来评估微生物学之外的变量的因果关系，尽管这些标准不是确定因果关系的唯一方法。


In molecular epidemiology the phenomena studied are on a molecular biology level, including genetics, where biomarkers are evidence of cause or effects.

分子流行病学 molecular epidemiology中研究的现象是在生物分子水平上的，也涵盖了遗传学。而遗传学中的生物标志物biomarkers就是原因或结果的证据。 

 --ZC(讨论)  【审校】“分子生物学”一词改成“生物分子”
 --ZC(讨论)  【审校】“水平上的，也涵盖了遗传学。而遗传学中的”一句改为“水平上也涵盖了遗传学，而其中”

A recent trend模板:When is to identify evidence for influence of the exposure on molecular pathology within diseased tissue or cells, in the emerging interdisciplinary field of molecular pathological epidemiology (MPE).模板:Third-party-inline Linking the exposure to molecular pathologic signatures of the disease can help to assess causality. 模板:Third-party-inline Considering the inherent nature of heterogeneity of a given disease, the unique disease principle, disease phenotyping and subtyping are trends in biomedical and public health sciences, exemplified as personalized medicine and precision medicine.模板:Third-party-inline

在新兴的分子病理流行病学molecular pathological epidemiology (MPE)交叉学科领域，最近的一个趋势（截至2014年）是确定在病变组织或细胞内，暴露exposure 在分子病理学molecular pathology上的影响。将暴露与疾病的分子病理特征联系起来可以帮助因果关系的评估。鉴于给定疾病的异质性的固有特征、独特的疾病原理等，疾病表现型phenotyping和亚型subtyping 现在是生物医学和公共卫生科学 public health的趋势，例证包括个体化医疗 personalized medicine和精准医疗 precision medicine等。 

 --ZC(讨论)  【审校】“暴露”改为“暴露迹象”
 --ZC(讨论)  【审校】“上的影响”改为“影响的证据”
 --ZC(讨论)  【审校】“将暴露”改为“将暴露迹象”
 --ZC(讨论)  【审校】“因果关系的评估”改为“评估因果关系”
 --ZC(讨论)  【审校】“给定疾病的”改为“特定疾病”
 --ZC(讨论)  【审校】“独特的疾病原理等”改为“罕见的病理”
 --ZC(讨论)  【审校】“现在是生物医学和”改为“是生物医学和”
 --ZC(讨论)  【审校】“个体化医学”改为“私人医疗”
 --ZC(讨论)  【审校】“精准医学”改为“精密医学”

In computer science在计算机科学领域

Determination of cause and effect from joint observational data for two time-independent variables, say X and Y, has been tackled using asymmetry between evidence for some model in the directions, X → Y and Y → X. The primary approaches are based on Algorithmic information theory models and noise models.[citation needed]

确定两个时间独立变量：X 和 Y 的联合观测数据因果关系的问题已经被解决了，方法是利用 X → Y 和 Y → X 方向上某些模型的证据不对称性。主要的方法基于算法信息理论Algorithmic information theory模型和噪声模型noise models。 

 --ZC(讨论)  【审校】“确定两个时间独立变量：X 和 Y 的联合观测数据因果关系的问题 已经被解决了，方法是利用 X → Y 和 Y → X 方向上某些模型的证据不对称性。”改为“由两个时间自变量，例如X,Y；联合观测数据来确定因果关系。已经被使用一些模型方向上证据的不对称性给解决了，例如：X → Y 和 Y → X 。”


Algorithmic information models算法信息模型

Compare two programs, both of which output both X and Y.

比较两个同时输出 X 和 Y 的程序。

  • Store Y and a compressed form of X in terms of uncompressed Y.
  • Store X and a compressed form of Y in terms of uncompressed X.
  • 用未压缩的 X 来存储 X 和压缩形式的 Y 。
 --ZC(讨论)  【审校】“用未压缩的 X 来存储 X 和压缩形式的 Y ”改为“根据未压缩的Y存储Y和X的压缩型，根据未压缩的X存储X和Y的压缩型”

The shortest such program implies the uncompressed stored variable more-likely causes the computed variable.[6][7]

最短的这种程序意味着，更有可能是未压缩的存储变量stored variable导致了计算出的变量computed variable。 


 --ZC(讨论)  【审校】“最短的这种程序意味着”改为“最短的此类程序表明”
 --ZC(讨论)  【审校】“计算出的变量”改为“计算变量”

噪音模型 Noise models

在模型中引入一个独立的噪声项，以对比两个方向的证据。下面是一些假设 Y → X 且具有噪声 E 的噪声模型：

  • 加性噪声 Additive noise：[8] [math]\displaystyle{ Y = F(X)+E }[/math]
  • 线性噪声 Linear noise：[9] [math]\displaystyle{ Y = pX + qE }[/math]
  • 非线性后置 Post-non-linear：[10] [math]\displaystyle{ Y = G(F(X)+E) }[/math]
  • 异方差噪声 Heteroskedastic noise：[math]\displaystyle{ Y = F(X)+E.G(X) }[/math]
  • 功能性噪声 Functional noise：[11] [math]\displaystyle{ Y = F(X,E) }[/math]


上述模型均基于以下假设：

  • Y 不存在其他原因 There are no other causes of Y 。
  • X 和 E 不存在共同的原因 X and E have no common causes 。
  • 原因的分布独立于因果机制 Distribution of cause is independent from causal mechanisms 。


在直观的层面上，联合分布P(起因,结果)到P(起因)*P(结果|起因) P(Cause, Effect) into P(Cause)*P(Effect | Cause)拆分的主意通常产生模型的总复杂性complexity 低于将P(起因,结果)到P(结果)*P(起因|结果) P(Effect)*P(Cause | Effect)的拆分。尽管“复杂性”的概念在直觉上很吸引人，但对于应该如何精确定义它却并不显而易见。[11]另一种不同类族的方法尝试从大量被标记的数据中发现因果的“足迹”，并且允许预测更灵活的因果关系。[12]


在统计学和经济学领域 In statistics and economics

 --嘉树（讨论） 本段似有错漏，英文词条和本段内容有一些不同。因此，（1）先写本段的翻译，（2）再写英文词条中有不同的地方，（3）最后整合一下。【】括起来的是在两个版本中需要照应和修改的部分。

In statistics and economics, causality is often tested via regression analysis. Several methods can be used to distinguish actual causality from spurious correlations. First, economists constructing regression models establish the direction of causal relation based on economic theory (theory-driven econometrics). For example, if one studies the dependency between rainfall and the future price of a commodity, then theory (broadly construed) indicates that rainfall can influence prices, but futures prices cannot make changes to the amount of rain[13] . Second, the instrumental variables (IV) technique may be employed to remove any reverse causation by introducing a role for other variables (instruments) that are known to be unaffected by the dependent variable. Third, economists consider time precedence to choose appropriate model specification. Given that partial correlations are symmetrical, one cannot determine the direction of causal relation based on correlations only. Based on the notion of probabilistic view on causality, economists assume that causes must be prior in time than their effects. This leads to using the variables representing phenomena happening earlier as independent variables and developing econometric tests for causality (e.g., Granger-causality tests) applicable in time series analysis[14]. Fifth, other regressors are included to ensure that confounding variables are not causing a regressor to appear to be significant spuriously but, in the areas suffering from the problem of multicollinearity such as macroeconomics, it is in principle impossible to include all confounding factors and therefore econometric models are susceptible to the common-cause fallacy.[15]. Recently, the movement of design-based econometrics has popularized using natural experiments and quasi-experimental research designs to address the problem of spurious correlations.[16]

在统计学和经济学中，因果关系通常通过回归分析来检验。有几种方法可以用来区分真实的因果关系和虚假的相关性。第一，经济学家根据经济理论(理论驱动theory-driven的计量经济学)构建回归模型，从而确定因果关系的方向。 例如，如果研究降雨与未来商品价格之间的依赖关系，那么一个广义上建构的理论表明，降雨可以影响价格，但未来价格不能改变降雨量。[17] . 第二，工具变量instrumental variables(IV)技术可以通过引入其他已知不受因变量的影响的工具变量来消除任何反向因果关系。【第三，经济学家会考虑时间优先级来选择合适的具体模型。由于偏相关partial correlations是对称的，人们不能在相关的基础上确定因果关系的方向。经济学家基于因果关系的概率观点probabilistic view假设，原因必须在时间上优先于其结果。这导致经济学家使用较早发生的现象作为自变量，并开发适用于时间序列分析的因果关系检验计量经济方法（例如，格兰杰因果检验）[18]。第五，有些做法包括了其他回归项，从而确保混淆变量confounding variables不会导致某个回归因素显得明显虚假，但遭受多重共线性multicollinearity问题困扰的领域，如宏观经济学，原则上不可能包括所有混淆因素，因此计量经济模型容易出现共因谬误common-cause fallacy[19]。近年来，以研究设计为基础的计量经济学design-based econometrics运动已经推广使用自然实验和准实验研究设计来解决虚假相关spurious correlations的问题[20]。】 

 --ZC(讨论)  【审校】有几种方法可以用来区分真实的因果关系和虚假的相关性。一句中的“区分”改为“鉴别”
 --ZC(讨论)  【审校】从而确定因果关系的方向，一句中“确定”改为“建立”
 --ZC(讨论)  【审校】如果研究降雨与未来商品价格之间的依赖关系，一句中“未来商品价格”改为“一种商品的未来价格
 --ZC(讨论)  【审校】那么一个广义上建构的理论表明，一句中“一个”去掉。
 --ZC(讨论)  【审校】技术可以通过引入其他已知不受因变量的影响的工具变量来消除任何反向因果关系。一句中“工具变量”改为“变量（工具）”；“反向因果”改为“逆因果”
 --ZC(讨论)  【审校】经济学家会考虑时间优先级来选择合适的具体模型。一句中“会”改为“会通过”；“合适的具体模型”改为“适当的模型规范”
 --ZC(讨论)  【审校】“人们不能在相关的基础上确定因果关系的方向”一句改为“不能仅仅根据一方面的相关性来确定因果关系的方向”
 --ZC(讨论)  【审校】“经济学家基于因果关系的”一句改为“基于因果关系的”
 --ZC(讨论)  【审校】“假设，原因必须在时间上优先于其结果”一句改为“经济学家假设，在时间上原因必须先于其结果”
 --ZC(讨论)  【审校】“并开发适用于时间序列分析的因果关系检验计量经济方法”一句中的“检验计量经济方法”改为“计量经济学的检验方法”
 --ZC(讨论)  【审校】“不会导致某个回归因素显得明显虚假”一句中的“明显虚假”改为“过于虚假”
 --ZC(讨论)  【审校】“但遭受”中的“但”改为“但在”
 --ZC(讨论)  【审校】“以研究设计为基础的计量经济学”一句中“研究”去掉。
 --ZC(讨论)  【审校】“运动已经推广使用自然实验和准实验研究设计来解决”一句中“运动已经推广”改为“活动已经推广至”

 --嘉树（讨论） 英文词条的第三和第四：

Third, the principle that effects cannot precede causes can be invoked, by including on the right side of the regression only variables that precede in time the dependent variable. Fourth, other regressors are included to ensure that confounding variables are not causing a regressor to spuriously appear to be significant. Correlation by coincidence, as opposed to correlation reflecting actual dependence of the underlying process, can be ruled out by using large samples and by performing cross validation to check that correlations are maintained on data that were not used in the regression.

【第三，通过在回归的右侧只包括时间上在因变量之前的变量，就可以使用结果不能优先于原因的原则。 第四，有些方法包括了其他回归因素，以确保混淆变量confounding variables不会导致一个回归项虚假地呈现显著。通过使用大样本和交叉验证检查在回归中未使用的数据上是否保持了相关性，可以排除巧合的，而不是反映实际依赖内在过程的相关性。】 

 --ZC(讨论)  【审校】“通过在回归的右侧只包括时间上在因变量之前的变量”改为“在正向回归中只包含在时间上早于因变量的变量”
 --ZC(讨论)  【审校】“就可以使用结果不能优先于原因的原则”改为“就可以引用结果不能先于原因的原则”
 --ZC(讨论)  【审校】“有些方法包括了其他回归因素，以确保”改为“有些方法包括了其他回归因素以确保”
 --ZC(讨论)  【审校】“不会导致一个回归项虚假地呈现显著”改为“不会导致回归项虚假地呈现这种现象十分重要”
 --ZC(讨论)  【审校】“通过使用大样本和交叉验证检查在回归中未使用的数据上是否保持了相关性，可以排除巧合的，而不是反映实际依赖内在过程的相关性。”一句改为“通过使用大规模样本和交叉验证来检查在回归中未使用的数据是否保持了相关，这样可以排除因巧合的相关性，而不是反映实际依赖内在过程的相关性。”
 --嘉树（讨论）整合后的翻译：

在统计学和经济学中，因果关系通常通过回归分析来检验。有几种方法可以用来区分真实的因果关系和虚假的相关性。第一，经济学家根据经济理论(理论驱动theory-driven的计量经济学)构建回归模型，从而确定因果关系的方向。例如，如果研究降雨与未来商品价格之间的依赖关系，那么一个广义上建构的理论表明，降雨可以影响价格，但未来价格不能改变降雨量。[21] . 第二，工具变量instrumental variables(IV)技术可以通过引入其他已知不受因变量的影响的工具变量来消除任何反向因果关系。第三，通过在回归的右侧只包括时间上在因变量之前的变量，就可以使用结果不能优先于原因的原则。由于偏相关partial correlations是对称的，人们不能在相关的基础上确定因果关系的方向。经济学家基于因果关系的概率观点probabilistic view假设，原因必须在时间上优先于其结果。这导致经济学家使用较早发生的现象作为自变量，并开发适用于时间序列分析的因果关系检验计量经济方法（例如，格兰杰因果检验）[22]。第四，有些方法包括了其他回归因素，以确保混淆变量confounding variables不会导致一个回归项虚假地呈现显著。通过使用大样本和交叉验证检查在回归中未使用的数据上是否保持了相关性，可以排除巧合的，而不是反映实际依赖内在过程的相关性。但遭受多重共线性multicollinearity问题困扰的领域，如宏观经济学，原则上不可能包括所有混淆因素，因此计量经济模型容易出现共因谬误common-cause fallacy[23]。近年来，以研究设计为基础的计量经济学design-based econometrics运动已经推广使用自然实验和准实验研究设计来解决虚假相关spurious correlations的问题[24]。

In social science 在社会科学领域

The social sciences have moved increasingly toward a quantitative framework for assessing causality. Much of this has been described as a means of providing greater rigor to social science methodology. Political science was significantly influenced by the publication of Designing Social Inquiry, by Gary King, Robert Keohane, and Sidney Verba, in 1994. King, Keohane, and Verba (often abbreviated as KKV) recommended that researchers applying both quantitative and qualitative methods adopt the language of statistical inference to be clearer about their subjects of interest and units of analysis.[25][26] Proponents of quantitative methods have also increasingly adopted the potential outcomes framework, developed by Donald Rubin, as a standard for inferring causality.[citation needed]

社会科学越来越倾向评估因果关系的定量框架。框架中的很大一部分已经被描述为一种提供更严格的社会科学方法social science methodology的方式。1994年，加里·金Gary King、罗伯特 · 基奥汉Robert Keohane和西德尼 · 维尔巴Sidney Verba合著的《设计社会学问卷Designing Social Inquiry》对政治科学产生了重大影响。金、基奥汉，和维尔巴（通常缩写为 KKV）建议研究人员同时采用定量和定性的方法，采用统计推论的语言来更清楚地说明他们感兴趣的主题和分析的单位。King, Keohane, and Verba (often abbreviated as KKV) recommended that researchers applying both quantitative and qualitative methods adopt the language of statistical inference to be clearer about their subjects of interest and units of analysis.[27][26]定量方法的支持者也越来越多地采用唐纳德 · 鲁宾Donald Rubin开发的潜在结果框架potential outcomes framework作为推断因果关系的标准。 

 --ZC(讨论)  【审校】“社会科学越来越倾向评估因果关系的定量框架”一句改为“社会科学越来越倾向用定量框架来评估因果关系”
 --ZC(讨论)  【审校】“的方式”改为“的手段”
 --ZC(讨论)  【审校】“建议研究人员同时采用定量和定性的方法，采用统计推论的语言来更清楚地说明他们感兴趣的主题和分析的单位。”改为“建议同时采用定量和定性方法的研究人员采用统计推断的语言，以便更清楚地了解他们感兴趣的主题和分析单位。”

Debates over the appropriate application of quantitative methods to infer causality resulted in increased attention to the reproducibility of studies. Critics of widely-practiced methodologies argued that researchers have engaged in P hacking to publish articles on the basis of spurious correlations.[28] To prevent this, some have advocated that researchers preregister their research designs prior to conducting to their studies so that they do not inadvertently overemphasize a non-reproducible finding that was not the initial subject of inquiry but was found to be statistically significant during data analysis.[29] Internal debates about methodology and reproducibility within the social sciences have at times been acrimonious.[citation needed]

合适地应用定量方法来推断因果关系的相关争论导致了对研究可重复性reproducibility的更多关注。对广泛被使用的方法持批评态度的人认为，研究人员利用数据挖掘Data dredging或p-hacking技术以在虚假相关的基础上发表文章[30]。为了避免这种情况的发生，一些人主张研究人员在进行研究之前预注册preregister他们的研究设计，这样他们就不会无意中过分强调一项不可复制的发现，这项发现并非最初的调查对象，但在数据分析中被发现具有统计意义[31]。社会科学内部关于方法论和可重复性的争论有时是尖锐的[citation needed]。 

 --ZC(讨论)  【审校】“技术以在虚假相关的基础上发表文章”一句中“技术”改为“黑客技术”
 --ZC(讨论)  【审校】“一些人主张研究人员在进行研究之前”一句中“一些人”改为“一些批评人士”
 --ZC(讨论)  【审校】“但在数据分析中被发现具有统计意义”一句改为“而是在数据分析过程中具有统计显著性”
 --ZC(讨论)  【审校】“社会科学内部关于方法论和可重复性的争论有时是尖锐的”一句中的“争论”改为“内部争论”；“尖锐”改为“激烈”

While much of the emphasis remains on statistical inference in the potential outcomes framework, social science methodologists have developed new tools to conduct causal inference with both qualitative and quantitative methods, sometimes called a “mixed methods” approach.[32][33] Advocates of diverse methodological approaches argue that different methodologies are better suited to different subjects of study. Sociologist Herbert Smith and Political Scientists James Mahoney and Gary Goertz have cited the observation of Paul Holland, a statistician and author of the 1986 article “Statistics and Causal Inference,” that statistical inference is most appropriate for assessing the “effects of causes” rather than the “causes of effects.”[34][35] Qualitative methodologists have argued that formalized models of causation, including process tracing and fuzzy set theory, provide opportunities to infer causation through the identification of critical factors within case studies or through a process of comparison among several case studies.[26] These methodologies are also valuable for subjects in which a limited number of potential observations or the presence of confounding variables would limit the applicability of statistical inference.[citation needed]

虽然在潜在结果框架中大部分重点仍然放在统计推论上，但社会科学方法学家已经开发出新的定性和定量方法来进行因果推断，有时被称为混合方法mixed methods。多种不同方法的支持者认为它更适合不同学科的研究different subjects of study。 

 --嘉树（讨论） 学科还是对象？

社会学家 Herbert Smith 和政治学家 James Mahoney 、 Gary Goertz 引用了统计学家 Paul Holland 的观察结果，Paul Holland在1986年发表了一篇名为《统计学和因果推断Statistics and Causal Inference》的文章，认为推论统计学最适合于评估“结果的原因”而不是“结果的原因”。定性方法学家认为，形式化的因果关系模型，包括过程追踪process tracing和模糊集理论fuzzy set theory，通过在某个案例研究内识别关键因素或在几个案例研究之间比较的过程提供了推断因果关系的机会。这些方法对于那些可能的观察数量有限或存在混淆变量从而限制统计推论适用性的课题也是有价值的。 

 --ZC(讨论)  【审校】“虽然在潜在结果框架中大部分重点仍然放在统计推论上”一句中“虽然”改为“尽管”
 --ZC(讨论)  【审校】“但社会科学方法学家已经开发出新的定性和定量方法来进行因果推断”一句中“新的定性和定量方法来进行因果推断”改为“使用定性和定量方法进行因果推断的新工具”
 --ZC(讨论)  【审校】“多种不同方法的支持者认为它更适合”一句中“多种不同方法”改为“各种方法论”
 --ZC(讨论)  【审校】“不同学科的研究”一句中的“学科”改为“对象”
 --ZC(讨论)  【审校】“认为推论统计学最适合于评估“结果的原因”而不是“结果的原因””一句中“结果的原因”改为“因果效应”
 --ZC(讨论)  【审校】“通过在某个案例研究内识别关键因素或在几个案例研究之间比较的过程提供了推断因果关系的机会。”一句中“几个”改为“多个”
 --ZC(讨论)  【审校】“这些方法对于那些可能的观察数量有限或存在混淆变量从而限制统计推论适用性的课题也是有价值的。”一句中“那些可能的观察数量有限”改为“那些潜在观察结果的数量受限”


参见

References

参考资料

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参考书目


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