Discovering the underlying relationships among variables from temporal observations has been a longstanding challenge in numerous scientific disciplines, including biology, finance, and climate science. The dynamics of such systems are often best described using continuous-time stochastic processes. Unfortunately, most existing structure learning approaches assume that the underlying process evolves in discrete-time and/or observations occur at regular time intervals. These mismatched assumptions can often lead to incorrect learned structures and models. In this work, we introduce a novel structure learning method, SCOTCH, which combines neural stochastic differential equations (SDE) with variational inference to infer a posterior distribution over possible structures. This continuous-time approach can naturally handle both learning from and predicting observations at arbitrary time points. Theoretically, we establish sufficient conditions for an SDE and SCOTCH to be structurally identifiable, and prove its consistency under infinite data limits. Empirically, we demonstrate that our approach leads to improved structure learning performance on both synthetic and real-world datasets compared to relevant baselines under regular and irregular sampling intervals.


翻译:从时间观测数据中发现变量间的潜在关系一直是生物学、金融学和气候科学等多个科学领域的长期挑战。此类系统的动态过程通常最适合用连续时间随机过程来描述。然而,现有的大多数结构学习方法都假设底层过程以离散时间演化,且/或观测发生在规则的时间间隔内。这些不匹配的假设往往会导致错误的结构和模型学习结果。本文提出了一种新颖的结构学习方法SCOTCH,该方法将神经随机微分方程(SDE)与变分推断相结合,以推断可能结构的后验分布。这种连续时间方法能够自然地处理任意时间点的观测学习与预测。在理论上,我们建立了SDE和SCOTCH实现结构可辨识性的充分条件,并证明了其在无限数据极限下的一致性。在实证中,我们证明了在规则与不规则采样间隔下,与相关基线方法相比,我们的方法在合成数据集和真实世界数据集上均能实现更优的结构学习性能。

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