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PCMCI

PCMCI (PC algorithm + Momentary Conditional Independence) は、PC アルゴリズムを時系列用に拡張したもの。

  • 高次元でもスケーラブル

  • 非線形検定にも対応

目的

多変量時系列 {Xt1,…,XtN}t=1T\{X_t^1, \ldots, X_t^N\}_{t=1}^T に対して、ラグ付き因果リンク Xt−τj→XtiX_{t-\tau}^j \to X_t^i つまり時系列 DAG(Time Series Graph, TSG)の推定がゴール。

アルゴリズム

PCMCI は次の2段階で構成される。

  1. PC₁ステップ(スクリーニング)
    → 候補親集合(potential parents)を削減する高速ステップ

  2. MCIステップ(Momentary Conditional Independence)
    → 有意な因果リンクのみを確定する厳密な検定

PC₁ステップ:候補因果のスクリーニング

PC-stableアルゴリズムを時系列データに適用したものをPC1PC_1アルゴリズムという。このアルゴリズムにより原因(親ノード)の候補を探索する。

対象変数 Xi,tX_{i,t} の候補親集合 {Xj,t−τ∣j=1…N,  τ=1…τmax⁡}\{ X_{j,t-\tau} \mid j = 1 \ldots N,\; \tau = 1 \ldots \tau_{\max} \} に対して独立性検定/条件付き独立性検定を行い、独立が疑われる候補リンクを削除していく。

ここでは「真の親集合を取りこぼさない」ことを重視するため、偽陽性のエッジも含む。

MCIステップ:因果リンクの最終判定

PC₁で残った候補リンクに対して、より厳密な条件付き独立性検定を行い、偽陽性のエッジを削除する。

リンク Xj,t−τ→Xi,tX_{j,t-\tau} \to X_{i,t} を検定する

Xj,t−τ  ⊥ ⁣ ⁣ ⁣⊥  Xi,t∣pa(Xi,t)∖{Xj,t−τ},pa(Xj,t−τ)X_{j,t-\tau} \;\perp\!\!\!\perp\; X_{i,t} \mid \text{pa}(X_{i,t}) \setminus \{X_{j, t-\tau}\}, \text{pa}(X_{j, t-\tau})

ここで

  • pa(Xi,t)\text{pa}(X_{i,t}), pa(Xj,t−τ)\text{pa}(X_{j, t-\tau}) はそれぞれ Xi,t,Xj,t−τX_{i,t}, X_{j, t-\tau} の親ノード

  • pa(Xi,t)∖{Xj,t−τ}\text{pa}(X_{i,t}) \setminus \{X_{j,t-\tau}\} は Xj,t−τX_{j,t-\tau} を除いた最大タイムラグτ\tauまでのXj,tX_{j,t}の親ノード

p-value < α → 因果リンクあり(採択)

point

  • 対象の親+候補親の親まで条件付けすることで交絡を減らす

  • スクリーニング済なので次元が低く、有意性検定のパワーが高い

PCMCI の利点

1. 高次元でも高速

PC₁で候補が大幅に削減されるため、O(N2τmax⁡)O(N^2 \tau_{\max}) 程度の計算量で実用的。

高次元になりがちな気候データを扱った研究などでも使われている。

2. 強い自己相関・交絡への耐性

MCI の条件集合設計により、偽陽性(Type I error)を抑制。

発展モデル

PCMCI+(拡張版)

精度向上版で、追加機能:

  • 同時刻(contemporaneous)因果も推定可能

  • v-structure の復元能力向上

  • 非線形依存の検出性能がさらに改善

実装

Tigramite パッケージで実行できる

Source
<Figure size 800x400 with 3 Axes>
<Figure size 640x480 with 1 Axes>