One of the central elements of any causal inference is an object called structural causal model (SCM), which represents a collection of mechanisms and exogenous sources of random variation of the system under investigation (Pearl, 2000). An important property of many kinds of neural networks is universal approximability: the ability to approximate any function to arbitrary precision. Given this property, one may be tempted to surmise that a collection of neural nets is capable of learning any SCM by training on data generated by that SCM. In this paper, we show this is not the case by disentangling the notions of expressivity and learnability. Specifically, we show that the causal hierarchy theorem (Thm. 1, Bareinboim et al., 2020), which describes the limits of what can be learned from data, still holds for neural models. For instance, an arbitrarily complex and expressive neural net is unable to predict the effects of interventions given observational data alone. Given this result, we introduce a special type of SCM called a neural causal model (NCM), and formalize a new type of inductive bias to encode structural constraints necessary for performing causal inferences. Building on this new class of models, we focus on solving two canonical tasks found in the literature known as causal identification and estimation. Leveraging the neural toolbox, we develop an algorithm that is both sufficient and necessary to determine whether a causal effect can be learned from data (i.e., causal identifiability); it then estimates the effect whenever identifiability holds (causal estimation). Simulations corroborate the proposed approach.


翻译:任何因果关系推断的核心要素之一是一个被称为结构性因果模型(SCM)的物体,它代表着一个机制的集合和正在调查的系统随机变异的外源(Pearl, 2000年),许多神经网络的一个重要属性是普遍性的近似性:能够将任何功能相近到任意精确。鉴于这种属性,人们可能会怀疑神经网的集合能够通过对SCM产生的数据进行培训来学习任何SCM。在本文中,我们通过扭曲表达性和可学习性的概念来表明这不是一个情况。具体地说,我们表明,因果关系的等级(Thm.1, Bareinboim等人,2020年)是各种神经网络的一个重要属性,它描述了从数据中可以学到的局限性,仍然保留在神经模型模型中。例如,任意的复杂和表达性神经网无法预测仅仅通过对SCM生成的数据进行的培训来了解任何SCM的效果。根据这一结果,我们引入了一种特殊类型的SCM的可理解性因果模型(NCM),并正式确定一种新的直线性偏差,只要我们每次对因果关系进行结构上的判断性估计,就能够确定结构上的因果关系,而确定结构上的因果关系,在进行因果关系上进行这种分类中,在确定一个已知的模型中,在确定一个已知的模型中,在判断中,在确定一个已知的模型中,在确定一个已知性分析中,我们是否具有必要的结构上的判断中,在进行这种结构上的判断中,在进行这种判断,在进行中,在进行这一类中,在进行这种判断性分析中,在进行这种分析,在进行这种判断的计算中,在进行这种判断的计算,在进行这种判断性分析的顺序上,在进行这种判断性分析,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中,在进行这种判断,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中,在进行中可以进行中,在进行中,在进行中,在进行这种判断性分析,在进行中,在进行中,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行这种判断性分析,在进行这种分析,在进行这种分析,在进行中,在进行

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