We present a new algorithm for Bayesian network structure learning, called Max-Min Hill-Climbing (MMHC). The algorithm combines ideas from local learning, constraint-based, and search-and-score techniques in a principled and effective way. It first reconstructs the skeleton of a Bayesian network and then performs a Bayesian-scoring greedy hill-climbing search to orient the edges. In our extensive empirical evaluation MMHC outperforms on average and in terms of various metrics several prototypical and state-of-the-art algorithms, namely the PC, Sparse Candidate, Three Phase Dependency Analysis, Optimal Reinsertion, Greedy Equivalence Search, and Greedy Search. These are the first empirical results simultaneously comparing most of the major Bayesian network algorithms against each other. MMHC offers certain theoretical advantages, specifically over the Sparse Candidate algorithm, corroborated by our experiments. MMHC and detailed results of our study are publicly available at http://www.dsl-lab.org/supplements/mmhc paper/mmhc index.html.

本地到全球学习方法在贝叶斯网络（BN）结构学习中起着重要作用。现有的本地到全局学习算法首先通过在数据集中学习每个变量的MB（马尔可夫毯子）或PC（家长和儿童）来构建DAG（Markov毯子）或PC（父母和儿童），然后在骨架中定向边缘。然而，现有的MB或PC学习方法通​​常是昂贵的昂贵昂贵，特别是具有大型BN，导致局部到全局学习算法效率低下。为了解决问题，在本文中，我们使用特征选择开发了一个有效的本地到全局学习方法。具体地，我们首先分析众所周知的最小冗余和最大相关性（MRMR）特征选择方法的基本原理，用于学习变量的PC集。基于分析，我们提出了一种高效的F2SL（基于特征选择的结构学习）方法，以局部 - 全局BN结构学习。 F2SL方法首先采用MRMR方法来学习DAG骨架，然后在骨架中的边缘。采用独立测试或进行定向边缘的分数函数，我们将F2SL方法实例化为两个新算法，F2SL-C（使用独立测试）和F2SL-S（使用得分函数）。与最先进的本地到全局BN学习算法相比，实验验证了本文中所提出的算法比比较算法更有效，提供竞争性结构学习质量。

In this paper we prove the so-called "Meek Conjecture". In particular, we show that if a DAG H is an independence map of another DAG G, then there exists a finite sequence of edge additions and covered edge reversals in G such that (1) after each edge modification H remains an independence map of G and ( 2) after all modifications G = H. As shown by Meek (1997), this result has an important consequence for Bayesian approaches to learning Bayesian networks from data: in the limit of large sample size, there exists a twophase greedy search algorithm that-when applied to a particular sparsely-connected search space-provably identifies a perfect map of the generative distribution if that perfect map is a DAG. We provide a new implementation of the search space, using equivalence classes as states, for which all operators used in the greedy search can be scored efficiently using local functions of the nodes in the domain. Finally, using both synthetic and real-world datasets, we demonstrate that the two-phase greedy approach leads to good solutions when learning with finite sample sizes.

本文提出了一种新的混合贝叶斯网络学习算法，称为前部滴下山坡爬山（FEDHC），设计为与连续或分类变量一起使用。具体地，对于连续数据的情况，提出了一种对FEDHC的强大的异常值，可以由其他BN学习算法采用。此外，纸张表明，统计软件\ Texit {R}中唯一的MMHC的实现是非常昂贵的，并且提供了新的实现。通过Monte Carlo模拟测试FEDHC，表明它是计算效率的明显，并产生与MMHC和PCHC相似的贝叶斯网络或更高的准确性。最后，使用统计软件\ Textit {R}，对来自经济学领域的FEDHC，PCHC和MMHC算法的应用到实际数据中的应用。

贝叶斯网络是概率的图形模型，广泛用于了解高维数据的依赖关系，甚至促进因果发现。学习作为定向的非循环图（DAG）编码的底层网络结构是高度具有挑战性的，主要是由于大量可能的网络与非狭窄性约束结合。努力专注于两个前面：基于约束的方法，该方法执行条件独立测试，以排除具有贪婪或MCMC方案的DAG空间的边缘和分数和搜索方法。在这里，我们以一种新的混合方法综合这两个领域，这降低了基于约束方法的MCMC方法的复杂性。 MCMC方案中的各个步骤仅需要简单的表查找，以便可以有效地获得非常长的链。此外，该方案包括迭代过程，以校正来自条件独立测试的错误。该算法对替代方案提供了显着卓越的性能，特别是因为也可以从后部分布采样DAG，从而实现全面的贝叶斯模型为大量较大的贝叶斯网络进行平均。

考虑基于AI和ML的决策对这些新兴技术的安全和可接受的使用的决策的社会和道德后果至关重要。公平，特别是保证ML决定不会导致对个人或少数群体的歧视。使用因果关系，可以更好地实现和衡量可靠的公平/歧视，从而更好地实现了敏感属性（例如性别，种族，宗教等）之间的因果关系，仅仅是仅仅是关联，例如性别，种族，宗教等（例如，雇用工作，贷款授予等） ）。然而，对因果关系解决公平性的最大障碍是因果模型的不可用（通常表示为因果图）。文献中现有的因果关系方法并不能解决此问题，并假设可获得因果模型。在本文中，我们没有做出这样的假设，并且我们回顾了从可观察数据中发现因果关系的主要算法。这项研究的重点是因果发现及其对公平性的影响。特别是，我们展示了不同的因果发现方法如何导致不同的因果模型，最重要的是，即使因果模型之间的轻微差异如何对公平/歧视结论产生重大影响。通过使用合成和标准公平基准数据集的经验分析来巩固这些结果。这项研究的主要目标是强调因果关系使用因果关系适当解决公平性的因果发现步骤的重要性。

在学习从观察数据中学习贝叶斯网络的图形结构是描述和帮助了解复杂应用程序中的数据生成过程的关键，而任务由于其计算复杂性而构成了相当大的挑战。代表贝叶斯网络模型的定向非循环图（DAG）通常不会从观察数据识别，并且存在各种方法来估计其等价类。在某些假设下，流行的PC算法可以通过测试条件独立（CI）一致地始终恢复正确的等价类，从边际独立关系开始，逐步扩展调节集。这里，我们提出了一种通过利用协方差与精密矩阵之间的反向关系来执行PC算法内的CI测试的新颖方案。值得注意的是，精密矩阵的元素与高斯数据的部分相关性。然后，我们的算法利用对协方差和精密矩阵的块矩阵逆转，同时对互补（或双）调节集的部分相关性进行测试。因此，双PC算法的多个CI测试首先考虑边缘和全阶CI关系并逐步地移动到中心顺序。仿真研究表明，双PC算法在运行时和恢复底层网络结构方面都优于经典PC算法。

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。

学习具有基于刻痕的解决方案的贝叶斯网络（BN）的结构涉及探索可能的图表的搜索空间并朝向最大化给定目标函数的图形移动。一些算法提供了确切的解决方案，可以保证以最高目标分数返回图形，而其他算法则提供近似解决方案以换取降低的计算复杂性。本文介绍了一种近似的BN结构学习算法，我们呼叫平均爬山（MAHC）的模型，相结合了两种与爬山搜索的新策略。该算法通过修剪图的搜索空间来开始，其中修剪策略可以被视为通常应用于组合优化结构学习问题的修剪策略的激进版本。然后，它在爬山搜索过程中执行模型平均值，并移动到相邻图，该曲线图平均为该相邻图和在所有有效的相邻图中最大化目标函数。与跨越不同学习类别的其他算法的比较表明，模型平均的攻击性修剪的组合既有效又有效，特别是在存在数据噪声。

我们分析了在没有特定分布假设的常规设置中从观察数据的学习中学循环图形模型的复杂性。我们的方法是信息定理，并使用本地马尔可夫边界搜索程序，以便在基础图形模型中递归地构建祖先集。也许令人惊讶的是，我们表明，对于某些图形集合，一个简单的前向贪婪搜索算法（即没有向后修剪阶段）足以学习每个节点的马尔可夫边界。这显着提高了我们在节点的数量中显示的样本复杂性。然后应用这一点以在从文献中概括存在现有条件的新型标识性条件下学习整个图。作为独立利益的问题，我们建立了有限样本的保障，以解决从数据中恢复马尔可夫边界的问题。此外，我们将我们的结果应用于特殊情况的Polytrees，其中假设简化，并提供了多项识别的明确条件，并且在多项式时间中可以识别和可知。我们进一步说明了算法在仿真研究中易于实现的算法的性能。我们的方法是普遍的，用于无需分布假设的离散或连续分布，并且由于这种棚灯对有效地学习来自数据的定向图形模型结构所需的最小假设。

In this review, we discuss approaches for learning causal structure from data, also called causal discovery. In particular, we focus on approaches for learning directed acyclic graphs (DAGs) and various generalizations which allow for some variables to be unobserved in the available data. We devote special attention to two fundamental combinatorial aspects of causal structure learning. First, we discuss the structure of the search space over causal graphs. Second, we discuss the structure of equivalence classes over causal graphs, i.e., sets of graphs which represent what can be learned from observational data alone, and how these equivalence classes can be refined by adding interventional data.

我们介绍了一种声音和完整的算法，称为迭代因果发现（ICD），用于在存在潜在混杂器和选择偏压的情况下恢复因果图。 ICD依赖于因果性马尔可夫和忠诚的假设，并恢复潜在因果图的等价类别。它以完整的图形开始，由单个迭代阶段组成，通过识别连接节点之间的条件独立性（CI）逐渐改进该图。任何迭代后都需要的独立性和因果关系是正确的，随时渲染ICD。基本上，我们将CI调节的大小与测试节点绑定到图表上的距离，并在连续迭代中提高此值。因此，每次迭代都改进了通过具有较小调节集的先前迭代恢复的图 - 一种更高的统计功率 - 这有助于稳定性。我们凭经验证明ICD需要较少的CI测试，并与FCI，FCI +和RFCI算法相比，学习更准确的因果图。

因果贝叶斯网络提供了重要的工具，用于在不确定性下进行推理，并可能应用于许多复杂的因果系统。结构学习算法可以告诉我们一些有关这些系统的因果结构的信息，越来越重要。在文献中，这些算法的有效性通常经过对不同样本量，超参数以及偶尔客观函数的敏感性进行测试。在本文中，我们表明，从数据中读取变量的顺序可能比这些因素对算法的准确性产生更大的影响。由于变量排序是任意的，因此它对学习图的准确性的任何重大影响都与之有关，这引发了有关算法对敏感但未对不同可变订单敏感但尚未评估的算法产生的结果的有效性的问题。

Using a Bayesian network to analyze the causal relationship between nodes is a hot spot. The existing network learning algorithms are mainly constraint-based and score-based network generation methods. The constraint-based method is mainly the application of conditional independence (CI) tests, but the inaccuracy of CI tests in the case of high dimensionality and small samples has always been a problem for the constraint-based method. The score-based method uses the scoring function and search strategy to find the optimal candidate network structure, but the search space increases too much with the increase of the number of nodes, and the learning efficiency is very low. This paper presents a new hybrid algorithm, MCME (multiple compound memory erasing). This method retains the advantages of the first two methods, solves the shortcomings of the above CI tests, and makes innovations in the scoring function in the direction discrimination stage. A large number of experiments show that MCME has better or similar performance than some existing algorithms.

我们研究在有关系统的结构侧信息时学习一组变量的贝叶斯网络（BN）的问题。众所周知，学习一般BN的结构在计算上和统计上具有挑战性。然而，通常在许多应用中，关于底层结构的侧面信息可能会降低学习复杂性。在本文中，我们开发了一种基于递归约束的算法，其有效地将这些知识（即侧信息）纳入学习过程。特别地，我们研究了关于底层BN的两种类型的结构侧信息：（i）其集团数的上限是已知的，或者（ii）它是无菱形的。我们为学习算法提供理论保证，包括每个场景所需的最坏情况的测试数量。由于我们的工作，我们表明可以通过多项式复杂性学习有界树木宽度BNS。此外，我们评估了综合性和现实世界结构的算法的性能和可扩展性，并表明它们优于最先进的结构学习算法。

在贝叶斯网络（BNS）中，边缘方向对于因果推理和推理至关重要。然而，马尔可夫等价类考虑因素意味着它并不总是可以建立边缘方向，这就是许多BN结构学习算法不能从纯粹观察数据定向所有边缘的原因。此外，潜在的混乱会导致假阳性边缘。已经提出了相对较少的方法来解决这些问题。在这项工作中，我们介绍了从涉及观察数据集的离散数据和一个或多个介入数据集的离散数据的结构学习的混合MFGS-BS（Meance规则和快速贪婪等价搜索）算法。该算法假设存在潜在变量的因果不足，并产生部分祖先图形（PAG）。结构学习依赖于混合方法和新的贝叶斯评分范式，用于计算添加到学习图表的每个定向边缘的后验概率。基于众所周知的网络的实验结果高达109个变量和10K样本大小表明，MFGS-BS相对于最先进的结构提高了结构学习准确性，并且它是计算效率的。

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。

因果发现已成为希望从观察数据中发现因果关系的科学家和从业者的重要工具。尽管大多数先前的因果发现方法都隐含地假设没有专家领域知识可用，但从业者通常可以从先前的经验中提供此类域知识。最近的工作已将域知识纳入基于约束的因果发现中。但是，大多数基于约束的方法都假定因果忠诚，这在实践中经常被违反。因此，人们对基于精确搜索得分的因果发现方法的重新关注，这些方法不假定因果关系，例如基于*基于*的方法。但是，在领域知识的背景下，没有考虑这些方法。在这项工作中，我们专注于有效地将几种类型的领域知识整合到基于*的因果发现中。在此过程中，我们讨论并解释了域知识如何减少图形搜索空间，然后对潜在的计算收益进行分析。我们通过有关合成和真实数据的实验来支持这些发现，表明即使少量领域知识也可以显着加快基于*基于*的因果关系并提高其绩效和实用性。

人们对利用置换推理来搜索定向的无环因果模型的方法越来越兴趣，包括Teysier和Kohler和Solus，Wang和Uhler的GSP的“订购搜索”。我们通过基于置换的操作Tuck扩展了后者的方法，并开发了一类算法，即掌握，这些算法在越来越弱的假设下比忠诚度更有效且方向保持一致。最放松的掌握形式优于模拟中许多最新的因果搜索算法，即使对于具有超过100个变量的密集图和图形，也可以有效，准确地搜索。

Linear structural causal models (SCMs)-- in which each observed variable is generated by a subset of the other observed variables as well as a subset of the exogenous sources-- are pervasive in causal inference and casual discovery. However, for the task of causal discovery, existing work almost exclusively focus on the submodel where each observed variable is associated with a distinct source with non-zero variance. This results in the restriction that no observed variable can deterministically depend on other observed variables or latent confounders. In this paper, we extend the results on structure learning by focusing on a subclass of linear SCMs which do not have this property, i.e., models in which observed variables can be causally affected by any subset of the sources, and are allowed to be a deterministic function of other observed variables or latent confounders. This allows for a more realistic modeling of influence or information propagation in systems. We focus on the task of causal discovery form observational data generated from a member of this subclass. We derive a set of necessary and sufficient conditions for unique identifiability of the causal structure. To the best of our knowledge, this is the first work that gives identifiability results for causal discovery under both latent confounding and deterministic relationships. Further, we propose an algorithm for recovering the underlying causal structure when the aforementioned conditions are satisfied. We validate our theoretical results both on synthetic and real datasets.