Many frameworks exist to infer cause and effect relations in complex nonlinear systems but a complete theory is lacking. A new framework is presented that is fully nonlinear, provides a complete information theoretic disentanglement of causal processes, allows for nonlinear interactions between causes, identifies the causal strength of missing or unknown processes, and can analyze systems that cannot be represented on Directed Acyclic Graphs. The basic building blocks are information theoretic measures such as (conditional) mutual information and a new concept called certainty that monotonically increases with the information available about the target process. The framework is presented in detail and compared with other existing frameworks, and the treatment of confounders is discussed. While there are systems with structures that the framework cannot disentangle, it is argued that any causal framework that is based on integrated quantities will miss out potentially important information of the underlying probability density functions. The framework is tested on several highly simplified stochastic processes to demonstrate how blocking and gateways are handled, and on the chaotic Lorentz 1963 system. We show that the framework provides information on the local dynamics, but also reveals information on the larger scale structure of the underlying attractor. Furthermore, by applying it to real observations related to the El-Nino-Southern-Oscillation system we demonstrate its power and advantage over other methodologies.


翻译:在复杂的非线性系统中,有许多框架可以推断因果关系,但缺乏一个完整的理论。一个新的框架是完全非线性的框架,提供了完整的因果过程的信息理论脱钩,允许因果过程之间的非线性互动,确定缺失或未知过程的因果强度,并可以分析无法在直接环形图上代表的系统。基本构件是信息理论措施,如(有条件的)相互信息,以及信息理论措施,即信息理论措施,即信息理论措施,即(有条件的)相互信息,以及称为“单质增加目标进程现有信息的确定性”的新概念。框架与其他现有框架进行详细比较,并讨论对混结者的处理办法。虽然存在框架结构结构无法分解的原因,但认为基于综合数量的任何因果框架都将错过潜在概率密度功能的潜在重要信息。框架通过几个高度简化的随机分析程序测试,以显示如何处理阻塞和网关,以及混乱的Lorentz 1963 系统。我们显示,框架提供了当地动态信息,但同时也揭示了与共建框架结构的更大规模信息,但该框架无法分解,而显示其吸引力系统的相关方法。此外,通过应用其他系统展示其真实优势。

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