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DYNOTEARS

DYNOTEARSはNOTEARSを動的(時系列要素を加味)にしたもの。

モデル

Notation

データセットを次のように表す

{xm,tRdm=1,,M,  t=0,,T}\{ x_{m,t} \in \mathbb{R}^d \mid m = 1,\dots,M,\; t = 0,\dots,T \}
  • 変数の数:dd

  • 独立な時系列の本数:MM

  • 各時系列の長さ:T+1T+1

モデル(SVAR)

同時因果(intra-slice)と時間遅れ因果(inter-slice)を同時に扱うため、 構造ベクトル自己回帰(SVAR)型SEM モデルを使う

xm,t=xm,tW+xm,t1A1++xm,tpAp+um,tx_{m,t}^\top = x_{m,t}^\top W + x_{m,t-1}^\top A_1 + \cdots + x_{m,t-p}^\top A_p + u_{m,t}^\top
  • WRd×dW \in \mathbb{R}^{d \times d}:同時(intra-slice)因果行列

  • AkRd×dA_k \in \mathbb{R}^{d \times d}kk 期遅れ(inter-slice)因果行列

  • pp:自己回帰次数

  • um,tu_{m,t}:平均0の独立誤差項

同時因果行列 WWDAG(非巡回) であると仮定する。一方、AkA_k は時間方向を持つため巡回制約を必要としない。

行列表現

すべての時系列をまとめると、モデルは次のように表される:

X=XW+Y1A1++YpAp+UX = XW + Y_1 A_1 + \cdots + Y_p A_p + U

ここで、

  • XRn×dX \in \mathbb{R}^{n \times d}:観測データ行列

  • YkY_kkk 期ラグを取ったデータ行列

  • n=M(T+1p)n = M (T + 1 - p):有効サンプルサイズ

さらに

Y=[Y1Yp],A=[A1Ap]Y = [Y_1 \mid \cdots \mid Y_p], \quad A = [A_1^\top \mid \cdots \mid A_p^\top]^\top

と定義すると、モデルは簡潔に

X=XW+YA+UX = XW + YA + U

と書ける。

識別性(Identifiability)

以下のいずれかが成り立つとき、同時因果行列 WW は識別可能である

  1. 誤差 um,tu_{m,t}非ガウス(LiNGAMと同様)

  2. 誤差が 等分散ガウス かつ WW が DAG

DYNOTEARSはいずれかの条件が成立すると仮定する。

パラメータの推定

基本目的関数

観測データ X,YX, Y が与えられたとき、W,AW, A を推定するために以下の二乗誤差損失を最小化する:

(W,A)=12nXXWYAF2\ell(W, A) = \frac{1}{2n} \lVert X - XW - YA \rVert_F^2

スパース性の導入

高次元設定を考慮し、W,AW, A1\ell_1 正則化を加える:

f(W,A)=(W,A)+λWW1+λAA1f(W, A) = \ell(W, A) + \lambda_W \lVert W \rVert_1 + \lambda_A \lVert A \rVert_1
  • λW,λA\lambda_W, \lambda_A:正則化係数

  • 1\lVert \cdot \rVert_1:要素ごとの 1\ell_1 ノルム

非巡回性制約

全体のネットワークが非巡回であるためには、同時因果行列 WW のみが DAG であれば十分である。

NOTEARSを提案したZheng et al. (2018) により、次の関数を用いて DAG 制約を滑らかに表現できることが明らかにされている:

h(W)=tr(eWW)dh(W) = \operatorname{tr}\left( e^{W \circ W} \right) - d

ここで はアダマール積を表す。このとき、

h(W)=0    W は DAGh(W) = 0 \quad \iff \quad W \text{ は DAG}

が成り立つ。そのため、制約付き最適化問題としてパラメータ推定を行う。

制約付き最適化問題

最終的な最適化問題は次のように定式化される:

minW,Af(W,A)subject toh(W)=0\min_{W, A} f(W, A) \quad \text{subject to} \quad h(W) = 0

解法(拡張ラグランジュ法)

制約付き問題を、以下の拡張ラグランジュ関数を用いて解く:

F(W,A)=f(W,A)+ρ2h(W)2+αh(W)F(W, A) = f(W, A) + \frac{\rho}{2} h(W)^2 + \alpha h(W)
  • ρ\rho:ペナルティ係数

  • α\alpha:ラグランジュ乗数

これにより問題は 滑らかな非線形最適化問題 となり、 L-BFGS-B などの標準的な数値最適化手法で解くことができる。