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HSIC

HSIC(Hilbert-Schmidt Independence Criterion, Gretton, et al. 2005) は再生核ヒルベルト空間(RKHS)のカーネルを用いて高次元・非線形依存を検出する手法。

定義式

与えられたRBFカーネル k(x,x′)k(x,x'), l(y,y′)l(y,y') を用いて

HSIC(X,Y)=1(n−1)2tr(KHLH)\mathrm{HSIC}(X,Y) = \frac{1}{(n-1)^2} \mathrm{tr}( KHLH )

ここで

  • Kij=k(xi,xj)K_{ij} = k(x_i, x_j)

  • Lij=l(yi,yj)L_{ij} = l(y_i, y_j)

  • H=In−1n11⊤H = I_n - \frac{1}{n}\mathbf{1}\mathbf{1}^\top(中心化行列)

RBFカーネル

k(x,x′)=exp⁡(−∥x−x′∥22σ2)k(x, x^{\prime})=\exp \left(-\frac{\left\|x-x^{\prime}\right\|^2}{2 \sigma^2}\right)

はスケールσ\sigmaがハイパーパラメータであり、スケールの設定次第でHSICの値は変わる。

特徴

  • カーネル次第で非常に多様な非線形関係を検出

  • 多変量にも自然に拡張できる

  • ハイパーパラメータに依存

実装

HSIC: 0.011830828031023408
Source
<Figure size 1000x250 with 3 Axes>

HSICの損失関数としての利用

Mooij et al. (2009) はHSICを使って残差と特徴量の統計的依存性を最小化する方法で学習する回帰モデルを因果推論に使う方法を提案した。

Greenfeld et al. (2019) は機械学習の文脈でHSICを損失関数として活用

min⁡h∈HHSIC(X,Y−h(X)⏟residual)\min_{h\in \mathcal{H}} HSIC(X, \underbrace{ Y-h(X)}_{\text{residual}} )

ここで H\mathcal{H} はhypothesis class

References
  1. Mooij, J., Janzing, D., Peters, J., & Schölkopf, B. (2009). Regression by dependence minimization and its application to causal inference in additive noise models. Proceedings of the 26th Annual International Conference on Machine Learning, 745–752. 10.1145/1553374.1553470