因果革命：人工智慧的大未來 (硬殼精裝)(The Book of Why: The New Science of Cause and Effect)

朱迪亞・珀爾 Judea Pearl

因為研發貝氏網路，而獲得有「電腦科學界諾貝爾獎」之稱的圖靈獎，著有三本極具影響力的科普書籍。珀爾是美國國家科學院院士，也是首先進入IEEE智慧系統名人堂的十名科學家之一，獲得的獎項與榮譽博士學位多不勝數，包括盧梅哈特獎（認知科學學會）、富蘭克林獎章（富蘭克林研究所）以及拉克托斯獎（倫敦經濟學院）。他目前擔任加州大學洛杉磯分校電腦科學教授，同時是丹尼爾‧珀爾基金會創辦人及執行長，目前住在洛杉磯。

達納‧麥肯錫 Dana Mackenzie

數學博士，現為科普作家，經常為《科學》、《新科學家》、《科學美國人》、《史密森尼》、《鸚鵡螺》和《發現》等雜誌撰稿。他寫的書《大碰撞：月球是怎麼形成的？》（The Big Splat, or How Our Moon Came to Be）曾經獲選為Audible.com網站2010年最佳有聲書。麥肯錫曾獲2012年傳播獎（美國數學聯合政策委員會）與2015年查文尼特數學解說獎（美國數學學會），他現在住在加州聖克魯茲。

譯者簡介 |
甘錫安

學業結束後由科學界踏入「譯界」，現為專職譯者。曾擔任Discovery頻道與資訊雜誌編譯，現仍定期為《科學人》及《BBC知識》等雜誌翻譯。書籍譯作包括《決斷的演算：預測、分析與好決策的11堂邏輯課》、《勝算：賭的科學與決策智慧》、《愛因斯坦1905》、《氣候創造歷史》、《現代主義烹調》等。目前住在有山有海有美食的台灣頭基隆，熱愛吸收各類知識，正努力朝「全方位譯人」的目標邁進。

▎自序
這本書的目標有三個：一是以非數學語言讓讀者理解因果革命的詳細內涵，以及它將如何影響我們的生活和未來。二是為讀者介紹科學家遭遇及挑戰關鍵因果問題時，英勇解決的歷程。最後，則是把因果革命帶回人工智慧的最初本源，介紹如何讓機器人學習以我們的母語（即因果語言）溝通。
 
▎前言：思想勝過資料
法蘭西斯・高爾頓與卡爾・皮爾森運用跨世代資料解答他們對於遺傳的疑問，可惜沒有成功，於是他們開發出「統計」這門爾後興盛數十載的學科。從事研究的人都聽過「相關不是因果」這句統計學名言，該觀念影響學界長期探究「關聯」而不問「因果」。在資料本位的歷史影響下，今日我們甚至認為大數據可解答所有問題，但是朱迪亞・珀爾希望藉此書告訴讀者，資料本身一點也不智慧。1980年代末，研究人工智慧的珀爾發現，「機器無法理解因果關係」可能是它們無法具備人類智慧的關鍵原因，於是他轉而投身因果科學陣營，多年後他藉由這本書，總結了各路科學家推動因果革命的成果。
 
▎第一章　因果階梯
因果的三個層級／迷你圖靈測驗／機率與因果
珀爾研究機器學習時了解到，因果學習者至少必須掌握三個層級的認知能力，分別是：（一）觀看與觀察，以探知環境中的規律；（二）實行，亦即預測刻意改變環境的效果，並選擇適當改變以獲得想要的結果；以及（三）想像——因果階梯的三個層級「觀察」、「介入」和「反事實」便是由此而來，數學能證明這三個層級有根本上的不同，每個層級都具備前一層級缺少的能力。本章將介紹以因果圖進行推理的基礎概念、主要的建模工具，讓讀者慢慢見識因果推論模型詮釋資料、解答疑問的強大能力。
 
▎第二章　從海盜到天竺鼠：因果推論的創生
法蘭西斯‧高爾頓捨「因果」而擁抱「相關」／卡爾‧皮爾森把「因果」掃出統計學／萊特、天竺鼠和路徑圖／E PUR SI MUOVE（但地球依然在轉動）／貝氏連結將主觀機率帶進統計學界
十九世紀末，法蘭西斯・高爾頓想將《物種原始》的理論架構數學化，他花了八年嘗試解答族群遺傳特質維持恆定的原因，但是始終無解，最後放棄研究，轉而注意統計「相關」。高爾頓的門徒卡爾・皮爾森後來提出「相關係數」，直到現在，所有統計學家想知道資料組中兩個變項的關聯程度時，總是最先計算這個數字。第二章講述統計學如何忽視因果性，並且對各種資料導向的科學造成深遠影響。此外還將介紹對本書而言十分重要的遺傳學家西瓦爾‧萊特的故事；萊特於1920年代首先繪製因果圖，多年來一直是少數認真看待因果性的科學家。
 
▎第三章從證據到原因：當貝斯遇見福爾摩斯
電腦偵探波拿巴（Bonaparte）／貝斯牧師與逆機率問題／從貝氏法則到貝氏網路／貝氏網路：原因透露了哪些關於資料的線索？／我的行李在哪裡？從亞琛到尚吉巴島／真實世界中的貝氏網路／從貝氏網路到因果圖
1980年代初，珀爾認為不確定性是AI所欠缺的最重要的能力，於是運用機率，開發出處理不確定性推理的強大工具——貝氏網路，這是首先讓電腦以「灰階」方式思考的工具，至今仍被視為人工智慧頂尖典範。然而到了1980年代末，珀爾開始覺得自己錯了，他認為貝氏網路仍沒有填補人工智慧和人類智慧的差距。在這一章，他談了自己從貝氏網路忠實信徒變節，轉入因果性陣營的心路歷程。儘管如此，貝氏網路依然是今日人工智慧界極為倚重的工具，而且具備因果圖的許多數學基礎，因此這章以因果性簡略介紹貝氏法則和貝氏推理方法，並為讀者舉出幾個在實際生活中運用貝氏網路的範例。
 
▎第四章　干擾與去干擾：或說剷除潛在變項
干擾導致強烈恐懼／大自然的巧妙質問：隨機對照試驗為何有效用？／干擾的新典範／do運算子和後門準則
隨機對照試驗（RCT）是統計學對因果推論的重大貢獻，它的主要目標，是把要探討的變項與可能影響它們的其他變項分開。如何去除這些潛在變項造成的失真或「干擾」，是已經存在一世紀的難題，但科學家直到最近才體認到，解決這問題需要的不是統計學方法，而是因果方法。這章要從因果圖的觀點說明，RCT為何能協助估計兩變項之間的因果效應，而且不受干擾偏差影響，從中我們會了解RCT其實源自更基本的原理，其他方法未必都要奉它為圭臬。這一章還將說明因果圖如何讓我們把焦點從「干擾因子」轉移到「去干擾因子」，並且帶領讀者以出奇簡單的方式解決一般干擾問題。
 
▎第五章　煙霧瀰漫的爭議：除去迷霧
菸草：人為流行病／衛生總署委員會和希爾準則／吸菸對新生兒的影響／激烈爭議：科學與文化
十八世紀詹姆斯．林德發現柑橘類水果能預防壞血病，十九世紀約翰．史諾發現遭排泄物汙染的水會導致霍亂，這些偵察工作很幸運的一點是：原因與結果之間是一對一關係。二十世紀時「吸菸是否會致癌」爭議挑戰了單一因果關係概念，而且由於無法隨機指定某些人冒著健康風險吸菸數十年以進行對照，統計學家不只對答案難有共識，連如何理解問題都有不同看法。後來美國衛生總署委員會採用一連串非正式指導方針「希爾準則」，終於得出「吸菸會導致癌症」這結論，但這花了近十五年時間。這爭議讓許多人看清因果性的重要——如果科學家有適合的語言或方法來解答因果問題，得出結論將不再曠日廢時。
 
▎第六章破解悖論！
令人費解的蒙提霍爾問題／更多衝突偏差：柏克森悖論／辛普森悖論／以圖畫說明辛普森悖論
這章要讓讀者輕鬆一點，做一些有趣的動腦遊戲，談談蒙提霍爾悖論、辛普森悖論與柏克森悖論等知名的古典矛盾問題。其實這些悖論問題有嚴肅的一面——它們幾乎都與因果直覺抵觸，因此能讓我們深入分析這類直覺。悖論和視錯覺一樣，能夠揭露大腦的運作方式、大腦愛走的捷徑，以及大腦覺得矛盾的事物。因果悖論凸顯出與機率和統計邏輯衝突的直覺式因果推理型態，看看統計學家對它們有多麼頭痛，就能知道不用因果性眼鏡看世界往往容易出現誤判。這些問題提醒著科學家，人類直覺是以因果為基礎，而不是統計和邏輯。一起來看看這些經典悖論問題的新解吧！
 
▎第七章　超越調整：征服介入山
最簡單的路線：後門調整公式／前門準則／Do計算法——精神高於物質／科學的織錦，或是do管弦樂團的隱形樂手／史諾博士的詭異案例／好膽固醇和壞膽固醇
第七章到第九章將帶領讀者一步步登上因果階梯。本章要登上階梯的第二層——介入層，其重點是預測以往未曾嘗試的行動和策略可能產生什麼效果。除了說明可產出「是或否」答案的因果推論發動機的內在結構，還要教讀者尋找因果圖中的特定型態，像是後門調整、前門調整及工具變項等，它們在因果推論中扮演極吃重的角色。作者將示範這些工具如何解答以往困住科學家的難題，例如以「前門準則」釐清因果圖尚未誕生時的「吸菸致癌爭議」，用約翰．史諾的霍亂成因調查示範因果圖如何讓工具變項發揮作用。作者也將介紹他的學生在因果革命中扮演的角色。
 
▎第八章　反事實：發掘可能成真的世界
從修昔底德和亞伯拉罕，到休謨和路易斯／潛在結果、結構方程式，以及反事實的演算法化／了解自己的假設是好習慣／反事實與定律／必要原因、充分原因和氣候變遷／反事實的世界
人類是在五、六百萬年間由猿猴類演化而來，但在近五萬年間發生了一些獨特狀況，從此能更快速地改變自身能力與環境，例如發明許多神奇物品。為什麼？人類突然獲得其他動物沒有的什麼運算能力？對此有許多人提出理論，但其中只有一種與因果關係有關——歷史學家哈拉瑞在《人類大歷史》中推測，人類祖先能設想「不存在的事物」（反事實），讓人得以溝通得更順暢，是其中最重要的關鍵。本章要帶各位登上因果階梯的頂層，探討反事實，照例會有許多因果圖示範釐清常見爭議的實情（例如學經歷對薪水的影響，以及量化氣候變遷的效果等），體會將「反事實」納入因果查詢時，解答事情的面向如何更加豐富多變。
 
▎第九章　中介：找尋機制
壞血病：錯誤的中介變項／自然與養育：芭芭拉‧布克斯的悲劇人生／尋找語言（柏克萊錄取率悖論）／黛西、小貓和間接效應／線性理想世界裡的中介／接納「應該會」／中介案例分析——吸菸基因：中介和交互作用；止血帶：隱形的謬誤
「反事實」目前在科學界中最風行的應用是中介分析，中介（或中介變項）是把處理效應傳遞給結果的變項，中介分析的目的是釐清直接效應和間接效應。這類問題不僅在科學上相當重要，也有實際的影響，書中舉了駭人的一例：詹姆斯．林德船長的壞血病研究是史上極早的對照實驗，其結果在1747年發表。但一個世紀之後，英國遠征隊開始探察極地時，這種完全可以預防的疾病出乎意料地捲土重來，原因就在於當時尚未發現真正的中介變項（維生素C），使得「柑橘類水果可預防壞血病」這理論被棄之如敝屣。本章介紹科學家如何找出表達「中介」的方法，以補傳統統計學的不足，另外也有數例中介案例分析。
 
▎第十章　大數據、人工智慧與大問題
因果模型與大數據／強AI和自由意志
怎樣打造智慧與人類相當且能分辨善惡的機器？——珀爾相信，因果推理是讓機器能以人類語言與我們溝通，談論政治、實驗、解釋、理論、遺憾、責任、自由意志與義務等話題，乃至自己做出道德決策的關鍵，因此發展因果語言與工具之重要性不可言喻。在研發過程中他廣泛接觸各領域人士，一起點燃因果革命的火花，火花從一個學科擴散到另一學科，催生了新典範，他認為這個轉變將使科學的體質更加健全，這是「人工智慧給人類的第二個禮物」。而因果革命在AI界的終極產物——具道德感的強AI，不只會成為我們的好伙伴，還能成為我們師法的對象，教導我們更明晰、因果上更合理的正義感，這則是人工智慧給人類的第一個、也是最好的禮物。
 
▎致謝