如何用數學探討因果關係?先學會處理無限多個平行宇宙吧!

本文經授權轉載自友站中研院 研之有物文/ 郭雅欣、簡克志 

因果關係怎麼研究?

在日常生活的經驗裡,我們往往習慣以主觀的角度來認定因果關係的存在,但在數理統計的協助下,因果關係可以擁有科學定義,並且可以驗證。中央研究院「研之有物」專訪院內統計科學研究所黃彥棕研究員,他的主要研究便是以數理統計的方式來探討因果關係(例如生物體的複雜機轉)。有了統計方法,人類也能接近上帝視角,找出因果關係的存在。

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以數理統計驗證因果關係

我們絕大多數人相信「凡事必有因果」這句話,例如今天腹瀉,是因為昨天晚餐吃壞肚子;考試沒考好,是因為書念得不夠。但是仔細想想,造成今天拉肚子的原因,除了昨天的晚餐之外,還有沒有別的可能?影響考試成績的因素,除了書念得夠不夠之外,考試環境、考題難易度也都會影響。

所以,我們究竟該如何確定兩件事有因果關係?有沒有什麼科學方法,可以讓我們帶著十足的把握,說出「X 就是造成 Y 結果的原因」這樣的話語?

中研院統計所研究員黃彥棕,擅長以數理統計的方式來思考因果關係,除此之外他更進一步在數學上探討「X 透過何種機制造成 Y」,也就是所謂的「因果中介效應」。有興趣的讀者,可以參考「研之有物」之前專訪黃彥棕老師的文章〈喝酒臉紅易罹癌?小時候家裡窮會胖?統計學家黃彥棕來解答〉。

回到因果關係,黃彥棕說到:「因果關係是屬於上帝視角。」也就是說,兩件事之間究竟有無因果關係,理論上只有全知者才知道,而我們能做的,是以數理統計的方式,「從人類視角盡可能地逼近上帝視角,來判斷因果關係是否存在。」

何謂因果關係?

為什麼說「因果存在與否只有上帝才知道」?因果關係建立在「反事實」,如果有一個事實是「打疫苗,就不容易感染 COVID-19」,則我們必須驗證是否「不打疫苗,就容易感染 COVID-19」,這就是反事實。有了事實與反事實的比對,我們才能說「打疫苗」與「不易感染 COVID-19」有因果關係。

不過,除非有時光機或平行宇宙,否則我們不可能讓全世界的人打疫苗,並觀察感染情況;然後又讓全世界的人都不打疫苗,並再次觀察染病狀況。只有全知者才能同時觀察這兩個平行宇宙,得知因果關係。黃彥棕說,身處現實世界的我們,只能盡可能地逼近這個結果。

用數學語言來描述因果關係,最被廣泛使用的架構是由美國統計學家 Donald Rubin 提出的反事實結果(counterfactual outcome)或潛在結果(potential outcome)。值得一提的是,過去 Rubin 也曾與 2021 年諾貝爾經濟學獎得主 Joshua Angrist 和 Guido Imbens 共同發表重要論文〈使用工具變量確認因果效應〉。

以下我們就以疫苗和傳染病為例,以反事實架構來說明「X 導致 Y」的群體因果效應。先假設 X 為民眾施打疫苗與否( 0:不打疫苗,1:打疫苗),而 Y 為得傳染病與否(0:不染病,1:染病),並使用期望值 E 來描述群體平均效應,詳細如下圖。

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如果我們觀察到 E[Y(X=1)] = 0.1,也就是有打疫苗的人染病機率是 10 %。那麼在反事實因果推論的基礎上,我們必須檢驗 E[Y(X=0)] 等於多少,也就是不打疫苗的染病機率。只要 E[Y(X=1)] ≠ E[Y(X=0)],就代表 X 和 Y 之間具有因果關係。

然而,實務上打完疫苗的人不可能再回復到沒打疫苗的狀態,因此我們沒有辦法再次對同一群母體樣本做實驗來驗證因果關係,僅能退而求其次,「盡量貼近」因果關係。那麼,要怎麼做呢?

有反事實的對照,才有因果關係。

逼近神的因果視角

如果我們把全世界的人分成兩半,其中一半打疫苗、另一半不打疫苗,然後用打疫苗的那一半代表一個宇宙(事實),不打疫苗的代表另一個宇宙(反事實),不就創造出兩個平行宇宙了嗎?

這是一種很直觀的逼近方法,但若要讓一半的人能夠代表一整個宇宙,則有一個重要的前提:這兩個宇宙裡的人是隨機分配的,也就是這兩群人在各個層面都很相似,例如年齡、性別、健康狀況甚至政治傾向等,以專業術語來說就是必須具有可互換性(exchangeability)。藥廠在做疫苗人體實驗時,就必須以非常嚴謹的方式讓受試者盡可能達到隨機分配,才能得到「疫苗是否有效」的科學結果。

不過,在大多數狀況下,我們很難做到隨機分配。舉例來說,臺灣開放施打 COVID-19 疫苗後,截至 2021 年 10 月 29 日為止,有將近 1700 萬人施打第一劑疫苗,但我們不能把這 1700 萬人視為有打疫苗的宇宙,而另一群沒打疫苗的 600 萬人視為沒打疫苗的宇宙,因為打不打疫苗是人民自由選擇的結果,有很多因素會影響個人選擇,例如比較有健康意識,或是比較年輕、不擔心副作用的人,可能就比較傾向打疫苗。

即使統計結果顯示出打疫苗的人,感染 COVID-19 的比例真的比較低,我們也很難分辨是因為打疫苗,還是他們本來就比較年輕?或本來就比較健康?「這是所謂的『觀察型研究』,容易出現因果推論謬誤的原因。」黃彥棕說。

然而,我們可以用數理統計的方式逼近真實的因果效應,例如控制年齡、健康狀況──兩方都取 50-60 歲的年齡層,並且都是沒有心血管疾病的人等。黃彥棕說:「我們依據自己的背景知識,知道有哪些因素會影響隨機性,然後使用統計的方式,把它們抓出來做控制。」

理論上統計學家可以把所有可能造成偏誤的因子都舉出來,透過一層層地篩選、限縮,最後得出許多個小小的族群,讓隨機性成立。

之後,透過每一組小小的隨機族群(例如年齡 50-60 歲、沒有心血管疾病、男性、具健康意識……等,統稱為 C),讓 Y 的發生和特定條件 C 之下的 X 群體無關,我們就可以得到逼近兩個平行宇宙的資料(有打疫苗、沒打疫苗),最後再把各族群的結果加權平均回來。就可以貼近上帝視角的因果效應。

以數學語言來說,就是讓條件期望值(E[Y|X=x, C=c)])的計算透過加權平均等同於反事實結果之期望值(E[Y(X=x)])的效果。我們沒有時光機,無法透過事實/反事實結果之期望值檢驗全體打疫苗和不打疫苗的因果關係(E[Y(X=1)] ≠ E[Y(X=0)] 嗎?);但是我們可以透過各種條件的篩選和限縮,去計算每個具備可互換性小群體的條件期望值,最後加權平均回來,檢視打疫苗與得病與否的因果關係(∑c E[Y|X=1, C=c]*P(C=c) ≠ ∑c E[Y|X=0, C=c]*P(C=c) 嗎?),這才是實務上的作法。

問題來了,要怎麼知道我們是否窮舉了所有可能造成偏誤的因子?我們的確不知道,只有上帝知道,這是個假設,而且是個很難驗證的假設。

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「在控制了年齡、性別、健康狀況等條件的情況下,我們希望可以讓隨機性成立。」

黃彥棕的研究讓因果關係在嚴謹的數學架構下,得以辨證、溝通,而不是只仰賴直觀的思考。因果的存在變得更加科學化,而這也使因果的探討可以進入更深的層次。

被競爭結果和時間擾亂的因果關係

更進階的因果探討層次,是將時間因素考慮進來。黃彥棕以「B 型肝炎」造成「肝癌」,然後導致「死亡」為例,若想探討這三者間的因果關係時,會發生一個問題,那就是有B型肝炎的人,有可能容易因猛爆性肝炎而直接死亡,而這樣的個案在統計上,因為他並沒有得到肝癌,而對「肝癌」這個中介因子造成了「保護」的效果。

「這就是肝癌和死亡這兩個競爭結果造成的影響,而這個競爭關係又會隨著時間推移而改變。肝癌、死亡有時間進程關係,一旦 B 型肝炎患者因猛爆性肝炎死亡了,他就不可能再得肝癌。」更清楚地說,B 型肝炎患者可能還「來不及」得肝癌,就因猛爆性肝炎直接跳到死亡。在界定 B 型肝炎與肝癌之間的因果關係時,這樣的結果會造成偏誤。

黃彥棕將時間因素考慮進來的方法,是把整個時程切割成非常多小段,在每個小段創造一個反事實架構,也就是分析每一位在某小段時間活著的 B 型肝炎患者,把他們分成已得到肝癌及還沒得到肝癌,並考慮這兩組患者在下一個瞬間死亡的可能性,再將這些結果積分起來,得到在隨機過程架構之下的平行宇宙們。

「我等於是在每一個瞬間都製造多個平行宇宙(無 B 肝/無肝癌、無 B 肝/有肝癌、有 B 肝/無肝癌、有 B 肝/有肝癌)出來,這樣做可以避免前面說的蓋牌效應。但你可以想像我所得到的平行宇宙數量……嗯,就跟《奇異博士》看到的差不多。」

「我認為我在這領域的部分貢獻,或許是提出了這樣一個會隨著時間推移的反事實架構。」黃彥棕說。他的論文發表出來後不久,也引起了期刊的興趣,邀請了相關領域的許多專家,探討他所提出的因果模型。

研究因果的動機

談起對因果關係研究的動機,黃彥棕說,以前在醫學系實習時,會看到開同樣的藥給病人,有些病人會好,有些人不會。這種「不確定性」開始讓他覺得好奇。他說:「我可以接受事情就是會有隨機性,但還是很想搞清楚這樣的不確定性是怎麼來的。」

最近,黃彥棕也發現許多人會把「預測」和「因果」搞混,尤其是現在人工智慧(AI)發展出的預測模型表現愈來愈好,有些做 AI 預測模型的人,會誤以為能夠用預測表現良好的模型,來得到因果關係。

舉例來說,一個模型可以透過一個人是否抽菸,來預測他得肺癌的機率,也可以透過一個人身上是否攜帶著打火機,來預測肺癌機率。「但我們知道抽菸與肺癌有因果關係,而帶打火機與否應該是不會造成任何增加肺癌風險的生物效應的。」黃彥棕說。

「抽菸」與「帶打火機」都能成為 AI 模型預測肺癌時採用的因子,但顯然並非代表它們與肺癌都有因果關係。黃彥棕接著說:「雖然預測未必需要因果關係,但是,決策就需要因果關係的支持。若要降低肺癌風險,政府較合理的做法是下令禁菸,而不是禁打火機。但要看到因果是比較困難的,它先天上的限制使它難以驗證,這個挑戰也是因果推論的迷人之處。」

最後,黃彥棕切身感受到因果關係的重要性,尤其是藥廠研發藥物或是臨床醫學等領域的應用。而他在反事實架構上考慮時間因素的突破,讓因果推論的知識又更往前推進。反事實因果推論的數學模型,讓人類能夠有深刻的思考,去檢視深藏在直觀表面之下的因果性與相關性。

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。本站盼以具體的研究案例、真實的研究員生活,帶您前往數理科學、生命科學、人文社會三大領域研究現場,揭開中央研究院神秘的面紗,看見研究員各種挫折與努力,了解研究成果如何應用生活中,繼而體會研究的價值與重要性。

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