因果推断——现代统计思想的飞跃

作者: 丁鹏

来源: 数学文化

发布日期: 2024-09-04 08:51:30

因果推断从被忽视和怀疑到深刻影响社会,改写了思想史。它用于确定事件之间的因果关系,而不仅仅是相关性,在医学、计算机科学、社会科学等领域非常重要。文章回顾了因果推断的历史背景,评述了中国研究的现状,并推测了其未来发展前景。

从被忽视和怀疑到深刻影响社会,因果推断改写思想史。因果推断(Causal inference)用于确定一个事件(“因”)是否以及如何引发另一个事件(“果”)。它的核心目的是理解变量之间的因果关系,而不仅仅是它们之间的相关性。因果推断在许多领域都非常重要,包括医学、计算机科学、社会科学、经济学、哲学,等等。本文将回顾统计因果推断的历史背景,评述中国因果推断研究的现状,并且大胆推测它未来的发展前景。

探求事物的原因,是人类永恒的精神活动之一。从古希腊的哲学到中国先秦的诗歌,都充满了对原因的追问和对因果关系的思考。比如,亚里士多德就在《物理学》(Physics)和《形而上学》(Metaphysics)两书中反复强调,我们只有知道了事物的原因,才能算真正理解这个事物。又如,屈原在《天问》开篇,就追问日月星辰运行的原因。长期以来,人们一方面好奇地追问原因和结果的关系,一方面又苦于这些概念的模糊性。

于是,这些话题在很长一段时间都仅仅局限在哲学和文学的范围内。

精确地描述因果关系,尤其是用数学的语言来描述因果关系,则是非常近代的事情了。这一项思想飞跃,得益于现代统计学的发展。统计学家称之为“因果推断”(causal inference)。虽然因果推断在现代统计学的萌芽阶段就已经产生,但是它的发展并非一帆风顺:它长期被主流忽视、怀疑甚至攻击。直至最近四十年,尤其是最近十年,它才得到了广泛的认可和大力的研究,成为当今主流的研究方向之一。

在最近的一篇文章中,Andrew Gelman和Aki Vehtari评选了过去五十年中,统计学最重要的八个想法,排名第一的就是因果推断[1]。当今世界,很多年轻的学者加入了因果推断的研究,他们来自统计学、经济学、社会学、政治科学、教育学、流行病学、计算机科学、哲学等等领域。毫不夸张地说,统计因果推断的研究迎来了它发展的黄金时代。

本文将回顾统计因果推断的历史背景,评述中国因果推断研究的现状,并且大胆推测它未来的发展前景。2 哲学基础:因果推断何以成为可能?亚里士多德《物理学》的一个英译本。

这本书的Book II 3的开篇写道:“Knowledge is the object o four inquiry, and men do not think they know a thing till they have grasped the 'why' of it (which is to grasp its primary cause)”,翻译成中文就是,我们探索的目标是知识,只有掌握了“为什么”,才算真正理解一个事物,即,掌握该事物的根本原因。

人们常常问关于原因和结果的问题。比如,某人死于肺癌,是不是因为他常常吸烟导致的?比如,我感冒症状减轻了,是不是因为服用了维生素C片导致的?比如,大学教育是否能够提高收入水平?类似的问题,充满了我们的日常生活。但是,这些看似直接了当的问题,却不容易回答。比如,有人吸烟,却没有得肺癌;有人不吸烟,却得了肺癌。比如,我可能仅仅喝白开水,感冒也会自己消失。比如,有人没有上大学,却做生意发了大财。

当然,有点概率论常识的人很容易意识到,这些事件都带有随机性。从经验中,我们可能观察到吸烟的人更可能得肺癌;服用维生素C的人,平均来说,自我感觉感冒恢复得更快;上过大学的人平均收入更高。但是,这些统计上的“相关关系”是否就是“因果关系”呢?大部分西方哲学家都认为因果关系是一条本质的、似乎毋庸置疑的定律。但是,苏格兰哲学家大卫?休谟(David Hume,1711-1776)曾经抛出了一条惊人的论点。

简言之,他认为人类仅仅凭经验,只能认识事物之间恒定的前后相继关系(constant conjunction),并不能认识任何因果关系。

很多哲学家都努力回应休谟的质疑,因为若是承认休谟是对的,那么知识何以成为可能?若人类的知识仅仅是经验性的前后相继关系,那么人类似乎没有拥有任何“心智的荣耀”[2]。

休谟的名著《人性论》对哲学史产生了深远的影响,他指出了归纳推理的缺陷,认为我们对因果关系的信念仅仅来自于习惯(habit)和传统(custom)。哲学家们对休谟的回应似乎都是徒劳的。我在学生时代曾经上过邓晓芒教授“康德哲学”的课,他就直言,休谟是驳不倒的。的确,休谟这样的彻底的怀疑论者,是无法驳倒的。

我回顾休谟的高论,并非想卖弄哲学史,因为休谟是绕不开的:无论何时何地,只要谈及因果推断,就可能有人引用休谟的论点质疑你问题的合理性。也正是因为休谟这种近乎诅咒似的言论,使得因果推断的数学化步履维艰。然而,上个世纪统计学的几项辉煌成果改写了思想史。如今人们已经不再羞于讨论因果关系,统计因果推断的语言,深入到了几乎所有的应用领域。

这些成果也许并没有完全解决休谟的问题,但是它们给出了因果关系新的思考方式和推理框架。

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