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潜在结果框架

Potential outcomes framework · Rubin causal model

用同一单位在各个明确干预下的潜在结果定义因果效应,并把观测机制与科学目标分离。

领域
统计学
条目类型
模型

形式陈述

设总体单位从分布 P 抽取,处理 AA,结果 Y。对每个单位和每个 aA,定义潜在结果 Y(a):若把该单位的处理设为 a,结果将取何值。有限总体表述把 {Yi(a):i=1,,n} 当作固定量,随机性来自分配;超总体表述则令 (Y(a):aA,A,X) 有一个联合分布。二元处理时,个体因果效应为 Y(1)Y(0),总体平均效应为 E{Y(1)Y(0)}

必须把三个层次分开。Estimand 是潜在结果分布的泛函,例如 E{Y(1)}identification 问该泛函能否由观测分布 P(Y,A,X) 唯一确定;estimation 才是在 n 个观测上构造统计量。潜在结果符号定义了目标,却没有自动给出识别式,更没有指定回归、匹配或加权算法。

观测数据只含 (X,A,Y)。在无干扰且处理版本明确的设定中,一致性写为

Y=Y(A)几乎处处.

对离散处理,也可逐个 a 写成 A=aY=Y(a)。因而每个单位最多揭示潜在结果向量的一项。其余项并非普通缺失值:缺失模式由实际处理决定,通常与潜在结果有关。潜在结果之间的联合分布还含有观测数据常常无法识别的信息;例如即使两个边缘分布 Y(0)Y(1) 都已识别,个体效应的方差仍依赖 Cov{Y(0),Y(1)}

直觉

因果问题比较的是同一单位所处的两个世界,而相关问题比较的是现实中落入两个组的不同单位。基本困难在于两世界不能同时被观察。随机化没有消除反事实缺失;它使缺失的那一项与处理分配在概率上可交换,于是组均值能够代表另一组看不见的世界。

“把 A 改为 a”还必须对应可说明的行动。降血压药的剂量、服用时刻和依从方案若产生不同结果,却都编码成 A=1,那么 Y(1) 没有唯一指向。框架因此先迫使研究者写清处理、结局、随访时点、单位和目标总体,再谈模型。它不是把时间顺序或机制藏进一个回归系数。

例子与边界

考虑四名学生的二元辅导方案,完整但不可同时观察的表为

学生 Y(0) Y(1) A Y
1 0 1 1 1
2 0 2 1 2
3 1 2 0 1
4 2 3 0 2

这里有限总体平均效应为 (1+2+1+1)/4=1.25,但观测处理组均值与对照组均值都为 1.5,粗差为零。原因可直接复算:接受辅导的恰是基线 Y(0) 较低者。表中最后一列遵守 Y=AY(1)+(1A)Y(0),却不足以恢复被遮住的四个反事实。

若分配改为在这四人中完全随机抽两人接受处理,则对随机化重复取期望,处理组观测均值分别无偏估计有限总体 Y(1) 均值,对照组均值估计 Y(0) 均值,二者之差才无偏于 1.25。这是分配机制提供的识别,不是潜在结果记号本身的性质。

边界之一是干扰。疫苗接种可能降低同村未接种者的感染风险,此时学生式的 Yi(ai) 不足以描述结果,应写 Yi(a1,,an) 或按暴露映射定义方案。另一边界是处理版本:手术由不同术者实施而风险不同,把所有版本合并会使一致性无明确对象。删掉“麻烦版本”并不会让问题消失,只会把目标改成未说明的混合干预。

还要区分单位层面与总体层面。平均效应为零可以由人人无效产生,也可以由一半获益、一半受害抵消;仅识别 E{Y(1)Y(0)} 不能推出个体效应为零。反过来,个体效应通常不可预测,不妨碍在随机化下识别平均效应。

推论与应用

从潜在结果目标到观测式需要一条完整链:一致性把 Y(a) 与接受 a 者的 Y 接上;交换性使接受 a 者代表同协变量下总体的 Y(a);positivity 保证这些协变量层确实出现 a。三步齐备后才能得到标准化或加权识别式。任一步失败,增加样本只会更精确地估计观测关联。

多值处理、动态方案和中介效应沿用同一语法,但潜在结果的索引会变成剂量、历史或联合干预。此时应先确定 estimand 的量词与总体,再判断数据结构是否支持识别;不能先跑算法,再把输出追认为因果效应。

参考资料
  • Donald B. Rubin, “Estimating Causal Effects of Treatments in Randomized and Nonrandomized Studies,” Journal of Educational Psychology 66(5), 1974, pp. 688–701。
  • Jerzy Neyman, “On the Application of Probability Theory to Agricultural Experiments. Essay on Principles. Section 9” (1923), translated by Dorota M. Dabrowska and Terence P. Speed, Statistical Science 5(4), 1990, pp. 465–472。
  • Miguel A. Hernán and James M. Robins, Causal Inference: What If, Chapman & Hall/CRC, 2020,Ch. 1–3。
  • Guido W. Imbens and Donald B. Rubin, Causal Inference for Statistics, Social, and Biomedical Sciences, Cambridge University Press, 2015,Ch. 1–3。
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