Inferring causal structure poses a combinatorial search problem that typically involves evaluating structures with a score or independence test. The resulting search is costly, and designing suitable scores or tests that capture prior knowledge is difficult. In this work, we propose to amortize causal structure learning. Rather than searching over structures, we train a variational inference model to directly predict the causal structure from observational or interventional data. This allows our inference model to acquire domain-specific inductive biases for causal discovery solely from data generated by a simulator, bypassing both the hand-engineering of suitable score functions and the search over graphs. The architecture of our inference model emulates permutation invariances that are crucial for statistical efficiency in structure learning, which facilitates generalization to significantly larger problem instances than seen during training. On synthetic data and semisynthetic gene expression data, our models exhibit robust generalization capabilities when subject to substantial distribution shifts and significantly outperform existing algorithms, especially in the challenging genomics domain. Our code and models are publicly available at: https://github.com/larslorch/avici.

贝叶斯结构学习允许从数据推断贝叶斯网络结构，同时推理认识性不确定性 - 朝着实现现实世界系统的主动因果发现和设计干预的关键因素。在这项工作中，我们为贝叶斯结构学习（DIBS）提出了一般，完全可微分的框架，其在潜在概率图表表示的连续空间中运行。与现有的工作相反，DIBS对局部条件分布的形式不可知，并且允许图形结构和条件分布参数的关节后部推理。这使得我们的配方直接适用于复杂贝叶斯网络模型的后部推理，例如，具有由神经网络编码的非线性依赖性。使用DIBS，我们设计了一种高效，通用的变分推理方法，用于近似结构模型的分布。在模拟和现实世界数据的评估中，我们的方法显着优于关节后部推理的相关方法。

本文提出了一种新的因果发现方法，即结构不可知的建模（SAM）。SAM利用条件独立性和分布不对称性，旨在从观察数据中找到潜在的因果结构。该方法基于不同玩家之间的游戏，该游戏将每个变量分布有条件地作为神经网估算，而对手则旨在区分生成的数据与原始数据。结合分布估计，稀疏性和无环限制的学习标准用于通过随机梯度下降来实施图形结构和参数的优化。SAM在合成和真实数据上进行了实验验证。

因果推断对于跨业务参与，医疗和政策制定等领域的数据驱动决策至关重要。然而，关于因果发现的研究已经与推理方法分开发展，从而阻止了两个领域方法的直接组合。在这项工作中，我们开发了深层端到端因果推理（DECI），这是一种基于流动的非线性添加噪声模型，该模型具有观察数据，并且可以执行因果发现和推理，包括有条件的平均治疗效果（CATE） ）估计。我们提供了理论上的保证，即DECI可以根据标准因果发现假设恢复地面真实因果图。受应用影响的激励，我们将该模型扩展到具有缺失值的异质，混合型数据，从而允许连续和离散的治疗决策。我们的结果表明，与因果发现的相关基线相比，DECI的竞争性能和（c）在合成数据集和因果机器学习基准测试基准的一千多个实验中，跨数据类型和缺失水平进行了估计。

结构方程模型（SEM）是一种有效的框架，其原因是通过定向非循环图（DAG）表示的因果关系。最近的进步使得能够从观察数据中实现了DAG的最大似然点估计。然而，在实际场景中，可以不能准确地捕获在推断下面的底层图中的不确定性，其中真正的DAG是不可识别的并且/或观察到的数据集是有限的。我们提出了贝叶斯因果发现网（BCD网），一个变分推理框架，用于估算表征线性高斯SEM的DAG的分布。由于图形的离散和组合性质，开发一个完整的贝叶斯后面是挑战。我们通过表达变分别家庭分析可扩展VI的可扩展VI的关键设计选择，例如1）表达性变分别家庭，2）连续弛豫，使低方差随机优化和3）在潜在变量上具有合适的前置。我们提供了一系列关于实际和合成数据的实验，显示BCD网在低数据制度中的标准因果发现度量上的最大似然方法，例如结构汉明距离。

跨学科的一个重要问题是发现产生预期结果的干预措施。当可能的干预空间很大时，需要进行详尽的搜索，需要实验设计策略。在这种情况下，编码变量之间的因果关系以及因此对系统的影响，对于有效地确定理想的干预措施至关重要。我们开发了一种迭代因果方法来识别最佳干预措施，这是通过分布后平均值和所需目标平均值之间的差异来衡量的。我们制定了一种主动学习策略，该策略使用从不同干预措施中获得的样本来更新有关基本因果模型的信念，并确定对最佳干预措施最有用的样本，因此应在下一批中获得。该方法采用了因果模型的贝叶斯更新，并使用精心设计的，有因果关系的收购功能优先考虑干预措施。此采集函数以封闭形式进行评估，从而有效优化。理论上以信息理论界限和可证明的一致性结果在理论上基于理论上的算法。我们说明了综合数据和现实世界生物学数据的方法，即来自worturb-cite-seq实验的基因表达数据，以识别诱导特定细胞态过渡的最佳扰动；与几个基线相比，观察到所提出的因果方法可实现更好的样品效率。在这两种情况下，我们都认为因果知情的采集函数尤其优于现有标准，从而允许使用实验明显更少的最佳干预设计。

因果推断的一个共同主题是学习观察到的变量（也称为因果发现）之间的因果关系。考虑到大量候选因果图和搜索空间的组合性质，这通常是一项艰巨的任务。也许出于这个原因，到目前为止，大多数研究都集中在相对较小的因果图上，并具有多达数百个节点。但是，诸如生物学之类的领域的最新进展使生成实验数据集，并进行了数千种干预措施，然后进行了数千个变量的丰富分析，从而增加了机会和迫切需要大量因果图模型。在这里，我们介绍了因子定向无环图（F-DAG）的概念，是将搜索空间限制为非线性低级别因果相互作用模型的一种方法。将这种新颖的结构假设与最近的进步相结合，弥合因果发现与连续优化之间的差距，我们在数千个变量上实现了因果发现。此外，作为统计噪声对此估计程序的影响的模型，我们根据随机图研究了F-DAG骨架的边缘扰动模型，并量化了此类扰动对F-DAG等级的影响。该理论分析表明，一组候选F-DAG比整个DAG空间小得多，因此在很难评估基础骨架的高维度中更统计学上的稳定性。我们提出了因子图（DCD-FG）的可区分因果发现，这是对高维介入数据的F-DAG约束因果发现的可扩展实现。 DCD-FG使用高斯非线性低级结构方程模型，并且在模拟中的最新方法以及最新的大型单细胞RNA测序数据集中，与最新方法相比显示出显着改善遗传干预措施。

模拟DAG模型可能表现出属性，也许无意中，使其结构识别和意外地影响结构学习算法。在这里，我们表明边缘方差往往沿着仿制性添加添加剂噪声模型的因果顺序增加。我们将Varsortable介绍为衡量衡量边际差异和因果顺序的秩序之间的协议。对于通常采样的图形和模型参数，我们表明，一些连续结构学习算法的显着性能可以通过高的Varsortable解释，并通过简单的基线方法匹配。然而，这种性能可能不会转移到真实世界的数据，其中VARS使性可能是中等或取决于测量尺度的选择。在标准化数据上，相同的算法无法识别地面真理DAG或其Markov等价类。虽然标准化在边缘方差中删除了模式，但我们表明，数据产生过程，其产生高VILS使性也留下了即使在标准化之后也可以利用不同的协方差模式。我们的调查结果挑战了独立绘制参数的通用基准的重要性。代码可在https://github.com/scriddie/varsortable获得。

在贝叶斯结构学习中，我们有兴趣从数据中推断出贝叶斯网络的定向无环图（DAG）结构。由于组合较大的样本空间，定义这种分布非常具有挑战性，并且通常需要基于MCMC的近似值。最近，已引入了一种新型的概率模型，称为生成流网络（GFLOWNETS），作为离散和复合对象（例如图形）生成建模的一般框架。在这项工作中，我们建议使用GFLOWNET作为MCMC的替代方案，以近似贝叶斯网络结构的后验分布，给定观测数据集。从该近似分布中生成样本DAG被视为一个顺序决策问题，在该问题中，该图是根据学习的过渡概率一次构造一个边缘的。通过对模拟和真实数据的评估，我们表明我们的方法称为dag-gflownet，可以准确地近似DAG，并且它可以与基于MCMC或变异推断的其他方法进行比较。

由于数据有限和非识别性，观察性和介入数据的因果发现是具有挑战性的：在估计基本结构因果模型（SCM）时引入不确定性的因素。基于这两个因素引起的不确定性选择实验（干预措施）可以加快SCM的识别。来自有限数据的因果发现实验设计中的现有方法要么依赖于SCM的线性假设，要么仅选择干预目标。这项工作将贝叶斯因果发现的最新进展纳入了贝叶斯最佳实验设计框架中，从而使大型非线性SCM的积极因果发现同时选择了介入目标和值。我们证明了对线性和非线性SCM的合成图（ERDOS-R \'enyi，breetr cable）以及在\ emph {intiLico}单细胞基因调节网络数据集的\ emph {inyeare scms的性能。

因果表示学习是识别基本因果变量及其从高维观察（例如图像）中的关系的任务。最近的工作表明，可以从观测的时间序列中重建因果变量，假设它们之间没有瞬时因果关系。但是，在实际应用中，我们的测量或帧速率可能比许多因果效应要慢。这有效地产生了“瞬时”效果，并使以前的可识别性结果无效。为了解决这个问题，我们提出了ICITRI，这是一种因果表示学习方法，当具有已知干预目标的完美干预措施时，可以在时间序列中处理瞬时效应。 Icitris从时间观察中识别因果因素，同时使用可区分的因果发现方法来学习其因果图。在三个视频数据集的实验中，Icitris准确地识别了因果因素及其因果图。

Pre-publication draft of a book to be published byMorgan & Claypool publishers. Unedited version released with permission. All relevant copyrights held by the author and publisher extend to this pre-publication draft.

Latent variable models such as the Variational Auto-Encoder (VAE) have become a go-to tool for analyzing biological data, especially in the field of single-cell genomics. One remaining challenge is the interpretability of latent variables as biological processes that define a cell's identity. Outside of biological applications, this problem is commonly referred to as learning disentangled representations. Although several disentanglement-promoting variants of the VAE were introduced, and applied to single-cell genomics data, this task has been shown to be infeasible from independent and identically distributed measurements, without additional structure. Instead, recent methods propose to leverage non-stationary data, as well as the sparse mechanism shift assumption in order to learn disentangled representations with a causal semantic. Here, we extend the application of these methodological advances to the analysis of single-cell genomics data with genetic or chemical perturbations. More precisely, we propose a deep generative model of single-cell gene expression data for which each perturbation is treated as a stochastic intervention targeting an unknown, but sparse, subset of latent variables. We benchmark these methods on simulated single-cell data to evaluate their performance at latent units recovery, causal target identification and out-of-domain generalization. Finally, we apply those approaches to two real-world large-scale gene perturbation data sets and find that models that exploit the sparse mechanism shift hypothesis surpass contemporary methods on a transfer learning task. We implement our new model and benchmarks using the scvi-tools library, and release it as open-source software at \url{https://github.com/Genentech/sVAE}.

Bayesian causal structure learning aims to learn a posterior distribution over directed acyclic graphs (DAGs), and the mechanisms that define the relationship between parent and child variables. By taking a Bayesian approach, it is possible to reason about the uncertainty of the causal model. The notion of modelling the uncertainty over models is particularly crucial for causal structure learning since the model could be unidentifiable when given only a finite amount of observational data. In this paper, we introduce a novel method to jointly learn the structure and mechanisms of the causal model using Variational Bayes, which we call Variational Bayes-DAG-GFlowNet (VBG). We extend the method of Bayesian causal structure learning using GFlowNets to learn not only the posterior distribution over the structure, but also the parameters of a linear-Gaussian model. Our results on simulated data suggest that VBG is competitive against several baselines in modelling the posterior over DAGs and mechanisms, while offering several advantages over existing methods, including the guarantee to sample acyclic graphs, and the flexibility to generalize to non-linear causal mechanisms.

本文研究了从观察数据学习因果关系的问题。我们用二进制图邻接矩阵参数化的形式重整结构方程模型（SEM），并显示，如果原始SEM是可识别的，则可以识别二进制邻接矩阵到真实因果图的超图在温和的条件下。然后，我们利用所述重新设计的SEM来开发一种因果结构学习方法，可以通过利用对非循环性和Gumbel-Softmax方法的平滑表征来实现基于梯度的优化来有效地接受训练，以近似于二进制邻接矩阵。发现获得的条目通常在零或一个附近，并且可以容易地阈值以识别边缘。我们对合成和实时数据集进行实验，以验证所提出的方法的有效性，并表明它容易包括不同的平滑模型功能，并在考虑大多数数据集中实现了大大提高的性能。

本文介绍了一种新型的因果结构，即多尺度非平稳的定向无环图（MN-DAG），该图将DAG概括为时频域。我们的贡献是双重的。首先，通过利用光谱和因果关系的结果，我们揭露了一种新型的概率生成模型，该模型允许根据用户指定的先验对因果图的时间依赖性和多尺度属性进行采样。其次，我们通过随机变异推理（SVI）（称为多阶层非稳态的因果结构学习者（MN-Castle））设计了一种用于估计Mn-DAGS的贝叶斯方法。除了直接观察外，MN-Castle还通过不同时间分辨率的时间序列的总功率谱分解来利用信息。在我们的实验中，我们首先使用所提出的模型根据潜在的MN-DAG生成合成数据，这表明数据生成的数据再现了不同域中时间序列的众所周知的特征。然后，我们将学习方法的MN媒体与基线模型进行比较，该模型在使用不同的多尺度和非平稳设置生成的合成数据上进行了比较，从而证实了MN-Castle的良好性能。最后，我们展示了一些从MN-Castle的应用中得出的一些见解，以研究COVID-19期间7个全球股票市场的因果结构。

We consider the problem of recovering the causal structure underlying observations from different experimental conditions when the targets of the interventions in each experiment are unknown. We assume a linear structural causal model with additive Gaussian noise and consider interventions that perturb their targets while maintaining the causal relationships in the system. Different models may entail the same distributions, offering competing causal explanations for the given observations. We fully characterize this equivalence class and offer identifiability results, which we use to derive a greedy algorithm called GnIES to recover the equivalence class of the data-generating model without knowledge of the intervention targets. In addition, we develop a novel procedure to generate semi-synthetic data sets with known causal ground truth but distributions closely resembling those of a real data set of choice. We leverage this procedure and evaluate the performance of GnIES on synthetic, real, and semi-synthetic data sets. Despite the strong Gaussian distributional assumption, GnIES is robust to an array of model violations and competitive in recovering the causal structure in small- to large-sample settings. We provide, in the Python packages "gnies" and "sempler", implementations of GnIES and our semi-synthetic data generation procedure.

我们提出了TABPFN，这是一种与小型表格数据集上的最新技术竞争性的自动化方法，而更快的速度超过1,000美元。我们的方法非常简单：它完全符合单个神经网络的权重，而单个正向通行证直接产生了对新数据集的预测。我们的AutoML方法是使用基于变压器的先验数据拟合网络（PFN）体系结构进行元学习的，并近似贝叶斯推断，其先验是基于简单性和因果结构的假设。先验包含庞大的结构性因果模型和贝叶斯神经网络，其偏见是小体系结构，因此复杂性较低。此外，我们扩展了PFN方法以在实际数据上校准Prior的超参数。通过这样做，我们将抽象先前的假设与对真实数据的启发式校准分开。之后，修复了校准的超参数，并在按钮按钮时可以将TABPFN应用于任何新的表格数据集。最后，在OpenML-CC18套件的30个数据集上，我们表明我们的方法优于树木，并与复杂的最新Automl系统相同，并且在不到一秒钟内产生的预测。我们在补充材料中提供所有代码和最终训练的TABPFN。

在非参数环境中，因果结构通常仅在马尔可夫等效性上可识别，并且出于因果推断的目的，学习马尔可夫等效类（MEC）的图形表示很有用。在本文中，我们重新审视了贪婪的等效搜索（GES）算法，该算法被广泛引用为一种基于分数的算法，用于学习基本因果结构的MEC。我们观察到，为了使GES算法在非参数设置中保持一致，不必设计评估图的评分度量。取而代之的是，足以插入有条件依赖度量的一致估计器来指导搜索。因此，我们提出了GES算法的重塑，该算法比基于标准分数的版本更灵活，并且很容易将自己带到非参数设置，并具有条件依赖性的一般度量。此外，我们提出了一种神经条件依赖性（NCD）度量，该措施利用深神经网络的表达能力以非参数方式表征条件独立性。我们根据标准假设建立了重新构架GES算法的最佳性，并使用我们的NCD估计器来决定条件独立性的一致性。这些结果共同证明了拟议的方法。实验结果证明了我们方法在因果发现中的有效性，以及使用我们的NCD度量而不是基于内核的措施的优势。

贝叶斯结构学习允许人们对负责生成给定数据的因果定向无环图（DAG）捕获不确定性。在这项工作中，我们提出了结构学习（信任）的可疗法不确定性，这是近似后推理的框架，依赖于概率回路作为我们后验信仰的表示。与基于样本的后近似值相反，我们的表示可以捕获一个更丰富的DAG空间，同时也能够通过一系列有用的推理查询来仔细地理解不确定性。我们从经验上展示了如何将概率回路用作结构学习方法的增强表示，从而改善了推断结构和后部不确定性的质量。有条件查询的实验结果进一步证明了信任的表示能力的实际实用性。