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Discovering Causal Structure with Reproducing-Kernel Hilbert Space $ε$-Machines
arXiv - CS - Machine Learning Pub Date : 2020-11-23 , DOI: arxiv-2011.14821 Nicolas Brodu, James P. Crutchfield
arXiv - CS - Machine Learning Pub Date : 2020-11-23 , DOI: arxiv-2011.14821 Nicolas Brodu, James P. Crutchfield
We merge computational mechanics' definition of causal states
(predictively-equivalent histories) with reproducing-kernel Hilbert space
(RKHS) representation inference. The result is a widely-applicable method that
infers causal structure directly from observations of a system's behaviors
whether they are over discrete or continuous events or time. A structural
representation -- a finite- or infinite-state kernel $\epsilon$-machine -- is
extracted by a reduced-dimension transform that gives an efficient
representation of causal states and their topology. In this way, the system
dynamics are represented by a stochastic (ordinary or partial) differential
equation that acts on causal states. We introduce an algorithm to estimate the
associated evolution operator. Paralleling the Fokker-Plank equation, it
efficiently evolves causal-state distributions and makes predictions in the
original data space via an RKHS functional mapping. We demonstrate these
techniques, together with their predictive abilities, on discrete-time,
discrete-value infinite Markov-order processes generated by finite-state hidden
Markov models with (i) finite or (ii) uncountably-infinite causal states and
(iii) a continuous-time, continuous-value process generated by a
thermally-driven chaotic flow. The method robustly estimates causal structure
in the presence of varying external and measurement noise levels.
中文翻译:
通过复制内核希尔伯特空间$ε$-机器发现因果结构
我们将计算力学对因果状态(预测等效历史)的定义与再现内核希尔伯特空间(RKHS)表示推论相结合。结果是一种广泛应用的方法,该方法可以直接根据对系统行为的观察来推断因果结构,而无论它们是在离散事件还是连续事件或时间之上。结构化表示-有限状态或无限状态内核$ \ epsilon $-机器-通过降维变换提取,该变换给出因果状态及其拓扑的有效表示。这样,系统动力学由作用于因果状态的随机(普通或部分)微分方程表示。我们引入一种算法来估计相关的进化算子。平行于福克-普朗克方程,它可以有效地演化因果状态分布,并通过RKHS功能映射在原始数据空间中进行预测。我们在具有(i)有限或(ii)无穷无限因果状态和(iii)的有限状态隐马尔可夫模型生成的离散时间,离散值无穷马氏阶过程上证明了这些技术及其预测能力。由热驱动的混沌流产生的连续时间,连续值过程。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。由具有(i)有限或(ii)无限数因果状态和(iii)由热驱动混沌产生的连续时间,连续值过程的有限状态隐藏Markov模型产生的离散值无限Markov级过程流。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。由具有(i)有限或(ii)无限数因果状态和(iii)由热驱动混沌产生的连续时间,连续值过程的有限状态隐藏Markov模型产生的离散值无限Markov级过程流。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。
更新日期:2020-12-01
中文翻译:
通过复制内核希尔伯特空间$ε$-机器发现因果结构
我们将计算力学对因果状态(预测等效历史)的定义与再现内核希尔伯特空间(RKHS)表示推论相结合。结果是一种广泛应用的方法,该方法可以直接根据对系统行为的观察来推断因果结构,而无论它们是在离散事件还是连续事件或时间之上。结构化表示-有限状态或无限状态内核$ \ epsilon $-机器-通过降维变换提取,该变换给出因果状态及其拓扑的有效表示。这样,系统动力学由作用于因果状态的随机(普通或部分)微分方程表示。我们引入一种算法来估计相关的进化算子。平行于福克-普朗克方程,它可以有效地演化因果状态分布,并通过RKHS功能映射在原始数据空间中进行预测。我们在具有(i)有限或(ii)无穷无限因果状态和(iii)的有限状态隐马尔可夫模型生成的离散时间,离散值无穷马氏阶过程上证明了这些技术及其预测能力。由热驱动的混沌流产生的连续时间,连续值过程。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。由具有(i)有限或(ii)无限数因果状态和(iii)由热驱动混沌产生的连续时间,连续值过程的有限状态隐藏Markov模型产生的离散值无限Markov级过程流。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。由具有(i)有限或(ii)无限数因果状态和(iii)由热驱动混沌产生的连续时间,连续值过程的有限状态隐藏Markov模型产生的离散值无限Markov级过程流。在存在变化的外部和测量噪声水平的情况下,该方法可稳健地估计因果结构。