因果森林总结：基于树模型的异质因果效应估计

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因果森林总结：基于树模型的异质因果效应估计

2022 年 8 月 11 日 PaperWeekly

©作者 | Zicon

单位 | 广东工业大学

研究方向 | 因果推断

本文中各类 forest-based methods 主要从 split 和 predict 两个角度展开，忽略渐进高斯性等理论推导。

Random Forest

传统随机森林由多棵决策树构成，每棵决策树在第 i 次 split 的时候，分裂准则如下（这里关注回归树）：

其中表示在的划分情况下，所在的叶子结点。随机森林构建完成后，给定测试数据，预测值为：

Causal Forest

类似地，因果森林由多棵因果树构成，由于需要 Honest estimation（用互不重合的数据分别进行 split 和 estimate），因此相较于决策树，每棵因果树 split 的分裂准则修改如下：

其中：

在叶子结点内可以认为所有样本同质，所以因果森林构建完成后，给定测试数据，其预测值为：

Generalized Random Forest

广义随机森林可以看作是对随机森林进行了推广：原来随机森林只能估计观测目标值，现在广义随机森林可以估计任何感兴趣的指标。

3.1 predict

先假设我们在已经有一棵训练好的广义随机森林，现在关注给定测试数据，如何预测我们感兴趣的指标？

通过公式 (2) 和 (3)，传统随机森林预测的做法是：

1. 在单棵树中，将测试数据所在叶子结点的观测目标值取平均作为该树对的预测；

2. 在多棵树中，将单棵树的不同预测结果取平均作为最终的预测结果。

而在广义随机森林中，首先基于因果森林得到各数据相对于测试数据的权重，之后加权求解局部估计等式，具体地：

权重估计阶段： 将数据与测试数据在同一叶子结点中的“共现频率”作为其权重，如下：

加权求解局部估计等式阶段： 下式中表示我们感兴趣的参数，表示我们不感兴趣但必须估计的参数，表示观测到的与我们感兴趣的参数相关的值。

在 predict 阶段，我们可以证明，随机森林恰好是广义随机森林的一个特例，证明如下：

首先，在随机森林的 setting 下，，我们感兴趣的参数恰好是；

极大似然函数为

，其 score function 为；

因此公式 (11) 为：

因此有，可得：

3.2 split

首先，由于广义随机森林的目标是准确估计感兴趣的参数，因此针对单一节点与一组样数据，估计参数的方法是：

接着，我们要将节点 P 分裂为两个子节点，分裂的目标是极小化感兴趣的参数的误差：

但是实际上是不可见的，经过一番推导，最终可以发现最小化等价于最大化下面的公式：

也就是说，最小化感兴趣的参数的误差等价于最大化两个子节点的异质性。

如果每个都通过求解式 (12) 获得，那算法的计算复杂度非常高，因此可以通过 gradient-based 的方法去得到的近似解：

至此，我们可以将 split 分成两个阶段：

标记阶段： 计算父节点的，之后针对每个样本计算虚拟的目标值：

回归阶段： 分裂准则为最大化式 (14)：

在 split 阶段，也可以证明随机森林是广义随机森林的一个特例：

首先，在随机森林的 setting 下，score function 为；

此时：

3.3 局部估计等式

在广义随机森林中，假设下列的数据产生过程：

这里，有：

此时相当于：

带上权重的时候类似。

3.4 other

causal forest 和 generalized random forest 的分裂准则其实是等价的，只不过式 (4) 考虑了下式的 b 和 c 两部分，式 (13)/(15) 只考虑了 b 部分：

Orthogonal Random Forest

orthogonal random forest 只是在 generalized random forest 的基础上进行了两个改动：

加了 DML： 在一开始先拟合，得到残差（first stage）；再对残差跑 generalized random forest（second stage）。与广义随机森林的 score function (16) 相比，正交随机森林的 score function 的定义如下：

此时

相当于：

带上权重的时候类似：

在 predict 阶段强调 locally，即拟合的时候（DML 的 first stage）使用上权重。

TO DO

记录一个还没想明白的问题，路过的大佬有懂的欢迎讨论。

到这里我们可以发现一个节点内的数据的 HTE 有两种计算方式：

一种是如式 (8) 所示，直接计算不同 treatment 组的期望相减，即；

另外一种是求解式 (12) 的局部估计等式。

在随机森林假设的线性 treatment effect 的情况下，这两种计算本质上是等价的。那为什么式 (13) 中的不能直接用第一种方式求，而是要大费周章地用梯度去近似呢？

目前的结论：上述等价性成立的前提是线性 effect 和二元 treatments 假设，第二种计算方式可以推广到多元甚至连续 treatments。

参考文献

[1] Athey S, Imbens G. Recursive partitioning for heterogeneous causal effects[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(27): 7353-7360.

[2] Wager S, Athey S. Estimation and inference of heterogeneous treatment effects using random forests[J]. Journal of the American Statistical Association, 2018, 113(523): 1228-1242.

[3] Athey S, Tibshirani J, Wager S. Generalized random forests[J]. The Annals of Statistics, 2019, 47(2): 1148-1178.

[4] Oprescu M, Syrgkanis V, Wu Z S. Orthogonal random forest for causal inference[C]//International Conference on Machine Learning. PMLR, 2019: 4932-4941.