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Backdoor 准则

Back-door criterion · Backdoor criterion

用因果图判断一组处理前变量是否阻断处理与结局之间全部非因果后门路径的准则。

领域
统计学
条目类型
定理

形式陈述

在正确表示研究总体的因果 DAG G 中,设处理节点 A、结局节点 Y,集合 Z 与二者不交。Z 满足 backdoor 准则,当且仅当:

  1. Z 不含 A 的任何后代;
  2. Z 阻断 AY 之间每条以箭头指向 A 开始的路径。

第二项用 d-separation 的路径规则判断。若递归 SCM 正确、观测分布满足因果 Markov 条件、干预定义明确并满足一致性、Z 中变量在处理前测量,且对目标支持有 p(az)>0,则do 算子定义的效应由

p(ydo(a))=p(ya,z)dP(z)

识别。离散 Z 时积分改为求和。定理允许 Z=;若没有开放后门路径,观测条件分布本身就是干预分布。

Backdoor 准则是充分条件而非所有可调整集的完整刻画,也不是所有可识别效应的必要条件。某些图没有满足它的观测集合,却仍可经 front-door 或一般 do-calculus 识别。

左侧 p(ydo(a)) 是 intervention estimand,等式给 identification;从有限样本估计 p(ya,z) 并积分才是 estimation。图上找到一个集合不会指定回归函数、平滑器或标准误。

直觉

A 沿出箭头走向 Y 的路径承载处理的因果影响,不应为估计总效应而阻断。箭头进入 A 的路径说明处理选择与结局共享上游原因;对这些原因条件化,模拟在同一背景下比较处理。

“多调变量更安全”在图上并不成立。处理后中介会截掉部分真实作用,碰撞点则会打开原先关闭的非因果路径。准则的两条限制分别防止这两类常见错误。

准则关心的是路径角色,而不是某个变量与处理或结局的相关强弱。变量即使强烈预测 Y,只要不在开放后门路径上,调整它也不负责去混杂;反之,共同原因的边缘相关即使很弱,仍可能是阻断路径不可缺的一环。先删去 A 的出边再追踪剩余开放路径,能把“去掉选择关联”与“保留因果传递”分开。

例子与边界

设图为 UAUYAY,并令 UBernoulli(1/2)P(A=1U=1)=0.9P(A=1U=0)=0.1,结果机制为

Y=A+U.

集合 Z={U} 不含处理后代,并阻断 AUY。处理者中 P(U=1A=1)=0.9,所以 E(YA=1)=1.9;对照者中对应概率为 0.1,粗差为 1.8。调整后

12[(10)+(21)]=1,

与方程中把 A 从 0 改成 1 的效应一致。

U 未观测,空集没有阻断后门,粗差不具因果解释。加入只受 U 影响的噪声代理可以减少偏差,但除非给出测量模型等额外识别条件,代理并不等于观测到 U

碰撞点提供清晰反例。令 A,Y 独立且各为 Bernoulli(1/2)C=1{A=Y},图为 ACY。不条件于 CAY;给定 C=1 后却有 A=Y,产生完全相关。CA 的后代且位于碰撞路径,拿它“调整更多变量”会制造关联。

中介 M 位于 AMY 时也不应进入总效应的 backdoor 集。给定 M 后估计的可能是直接效应,且若 MY 还有未测共同原因,条件化还会引入新偏差。estimand 改成直接效应需要专门的跨世界或干预定义。

图错画是准则最重要的边界。遗漏共同原因、误判时间顺序或在选择后的样本中使用总体图,都会让形式上合格的集合失效。数据中的条件独立可以反驳某些图,却通常不能唯一证明所选因果方向。

推论与应用

证明链可写成:在删除 A 出边的适当图中,Z 阻断后门使 Y(a)AZ;一致性把 Y(a)A=a 者中的分布替换为观测 Y;positivity 使每个目标 z 的条件分布可获得;最后对自然 P(Z) 平均。图准则因此是交换性假设的结构化充分条件。

多个集合都满足准则时,它们给出相同总体识别量,但有限样本方差、测量误差与模型复杂度不同。通常避免不必要的强处理预测变量和高维集合可以改善精度;选择仍须先保证有效阻断,不能仅以预测分数最高为准。

参考资料
  • Judea Pearl, Causality: Models, Reasoning, and Inference, 2nd ed., Cambridge University Press, 2009,Definition 3.3.1 与 Theorem 3.3.2。
  • Judea Pearl, “Causal Diagrams for Empirical Research,” Biometrika 82(4), 1995, pp. 669–688。
  • Marloes H. Maathuis and Diego Colombo, “A Generalized Back-Door Criterion,” Annals of Statistics 43(3), 2015, pp. 1060–1088。
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