Learning causal effects from data is a fundamental and well-studied problem across science, especially when the cause-effect relationship is static in nature. However, causal effect is less explored when there are dynamical dependencies, i.e., when dependencies exist between entities across time. Identifying dynamic causal effects from time-series observations is computationally expensive when compared to the static scenario. We demonstrate that the computational complexity of recovering the causation structure for the vector auto-regressive (VAR) model is $O(Tn^3N^2)$, where $n$ is the number of nodes, $T$ is the number of samples, and $N$ is the largest time-lag in the dependency between entities. We report a method, with a reduced complexity of $O(Tn^3 \log N)$, to recover the causation structure to obtain frequency-domain (FD) representations of time-series. Since FFT accumulates all the time dependencies on every frequency, causal inference can be performed efficiently by considering the state variables as random variables at any given frequency. We additionally show that, for systems with interactions that are LTI, do-calculus machinery can be realized in the FD resulting in versions of the classical single-door (with cycles), front and backdoor criteria. We demonstrate, for a large class of problems, graph reconstruction using multivariate Wiener projections results in a significant computational advantage with $O(n)$ complexity over reconstruction algorithms such as the PC algorithm which has $O(n^q)$ complexity, where $q$ is the maximum neighborhood size. This advantage accrues due to some remarkable properties of the phase response of the frequency-dependent Wiener coefficients which is not present in any time-domain approach.


翻译:从数据中学习因果效应是科学领域中一个基础且被广泛研究的问题,尤其当因果-效应关系本质上是静态时。然而,当存在动态依赖(即实体间存在跨时间依赖)时,因果效应的研究较少。与静态情形相比,从时间序列观测中识别动态因果效应的计算成本更高。我们证明,对于向量自回归(VAR)模型,恢复因果结构的计算复杂度为$O(Tn^3N^2)$,其中$n$为节点数,$T$为样本数,$N$为实体间依赖中的最大时间滞后。我们报告了一种复杂度降低至$O(Tn^3 \log N)$的方法,用于恢复因果结构,以获取时间序列的频域(FD)表示。由于FFT将所有时间依赖累积到每个频率上,通过将状态变量视为任意给定频率下的随机变量,可以高效地进行因果推断。我们还表明,对于具有线性时不变(LTI)交互的系统,do-演算机制可以在频域中实现,从而得到经典的单门(含循环)、前门和后门准则的频域版本。我们证明,对于一大类问题,使用多元Wiener投影进行图重构在计算上具有显著优势,其复杂度为$O(n)$,而PC算法等重构算法的复杂度为$O(n^q)$,其中$q$为最大邻域大小。这一优势源于频率依赖Wiener系数的相位响应的一些显著特性,这些特性在任何时域方法中都不存在。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
从采集到决策:美军视角下的战术情报范式重构
专知会员服务
4+阅读 · 今天2:42
《履带式无人地面战车技术发展现状》
专知会员服务
2+阅读 · 今天1:46
《无人机脆弱性利用:网络空间力量的新域》
专知会员服务
2+阅读 · 8月1日
美空军如何将人工智能从战场部署至后方机关
专知会员服务
11+阅读 · 7月31日
《史诗怒火行动:多域前瞻评估》49页报告
专知会员服务
8+阅读 · 7月31日
《英国防部:未来空战系统数字化战略》33页
专知会员服务
5+阅读 · 7月31日
《面向自主飞行网络的智能体人工智能架构》
专知会员服务
8+阅读 · 7月31日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员