Dynamical systems are widely used in science and engineering to model systems consisting of several interacting components. Often, they can be given a causal interpretation in the sense that they not only model the evolution of the states of the system's components over time, but also describe how their evolution is affected by external interventions on the system that perturb the dynamics. We introduce the formal framework of structural dynamical causal models (SDCMs) that explicates the causal semantics of the system's components as part of the model. SDCMs represent a dynamical system as a collection of stochastic processes and specify the basic causal mechanisms that govern the dynamics of each component as a structured system of random differential equations of arbitrary order. SDCMs extend the versatile causal modeling framework of structural causal models (SCMs), also known as structural equation models (SEMs), by explicitly allowing for time-dependence. An SDCM can be thought of as the stochastic-process version of an SCM, where the static random variables of the SCM are replaced by dynamic stochastic processes and their derivatives. We provide the foundations for a theory of SDCMs, by (i) formally defining SDCMs, their solutions, stochastic interventions, and a graphical representation; (ii) studying existence and uniqueness of the solutions for given initial conditions; (iii) discussing under which conditions SDCMs equilibrate to SCMs as time tends to infinity; (iv) relating the properties of the SDCM to those of the equilibrium SCM. This correspondence enables one to leverage the wealth of statistical tools and discovery methods available for SCMs when studying the causal semantics of a large class of stochastic dynamical systems. The theory is illustrated with several well-known examples from different scientific domains.


翻译:动态系统被广泛用于科学和工程,用于模拟由多个互动组成部分组成的系统。通常,它们可以被从因果解释而得到一个因果机制,即它们不仅可以模拟系统组成部分状态的演变,而且可以描述其演变如何受到干扰动态的系统外部干预的影响。我们引入了结构动态因果模型的正式框架(SDCMs),将系统组成部分的因果语解作为模型的一部分。SDCMs代表着一个动态系统,它是一个由随机过程组成的集合,并具体说明了管理每个组成部分动态的基本因果机制,作为任意秩序随机差异方程式的结构性差异方程式结构系统。SDCMs扩大了结构因果模型(SCMs)的多种因果模型框架,也称为结构方程模型(SDCMs),明确允许时间依赖性。 SDCMs可以被理解为SCs的随机随机性流程版本,由动态的随机性变量及其衍生物来取代。我们为SDCMs的大规模对应性(SDCMs)理论提供了基础,通过SDCMs 和SDMSDMs的模型来解释这些解决方案的模型,通过SDMSDMSDMSDMs(SDMSDS) 和SDMSDMSDSDSDSDSDSDSDSDSDSDS) 的模型来解释法的模型来解释算法的模型, 和SDMS) 和SDSDSDSDMSDMSDSDSDSDSDSDSDMSDSDSDSDMDMDM 的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型的模型, 。

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