A common theme in causal inference is learning causal relationships between observed variables, also known as causal discovery. This is usually a daunting task, given the large number of candidate causal graphs and the combinatorial nature of the search space. Perhaps for this reason, most research has so far focused on relatively small causal graphs, with up to hundreds of nodes. However, recent advances in fields like biology enable generating experimental data sets with thousands of interventions followed by rich profiling of thousands of variables, raising the opportunity and urgent need for large causal graph models. Here, we introduce the notion of factor directed acyclic graphs (f-DAGs) as a way to restrict the search space to non-linear low-rank causal interaction models. Combining this novel structural assumption with recent advances that bridge the gap between causal discovery and continuous optimization, we achieve causal discovery on thousands of variables. Additionally, as a model for the impact of statistical noise on this estimation procedure, we study a model of edge perturbations of the f-DAG skeleton based on random graphs and quantify the effect of such perturbations on the f-DAG rank. This theoretical analysis suggests that the set of candidate f-DAGs is much smaller than the whole DAG space and thus more statistically robust in the high-dimensional regime where the underlying skeleton is hard to assess. We propose Differentiable Causal Discovery of Factor Graphs (DCD-FG), a scalable implementation of f-DAG constrained causal discovery for high-dimensional interventional data. DCD-FG uses a Gaussian non-linear low-rank structural equation model and shows significant improvements compared to state-of-the-art methods in both simulations as well as a recent large-scale single-cell RNA sequencing data set with hundreds of genetic interventions.


翻译:因果关系推断的一个共同主题是学习观测到的变量之间的因果关系,也称为因果发现。这通常是一项艰巨的任务,因为候选的因果图表数量众多,搜索空间的组合性质也很大。也许出于这个原因,迄今为止,大多数研究侧重于相对较小的因果图表,有多达数百个节点。然而,生物学等领域最近的进展使得能够产生实验数据集,随后对数千个变量进行大量剖析,并随后对数千个变量进行丰富的干预,从而增加了大因果图形模型的机会和迫切需求。在这里,我们引入了因子引导周期图形(f-DCD AGs)的概念,作为将搜索空间限制在非线性低因果互动模型上。这一新的结构假设与最近的进展相结合,弥补了因果发现与持续优化之间的差距,我们在数千个变量上。此外,作为统计噪音对这一估算程序的影响的模型,我们研究了一个F-DAG骨架的边缘模型,以随机图为基础,并量化了这种对f-DAG级等级的任意改进的效果。这一理论分析表明,我们从高层次的直径的直径直径直径数据组数据显示高至高的直径直径数据。

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