八十年代從日本負(fù)笈歸來(lái)，他把因果推斷研究的頭腦風(fēng)暴帶回中國(guó)學(xué)界。三十余載扎根數(shù)學(xué)講壇，他是許多學(xué)生在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)路人和精神導(dǎo)師。穿梭于統(tǒng)計(jì)學(xué)與哲學(xué)的深邃時(shí)空，耿直教授始終用自己的科研熱情與靈感感染著身邊的人，在將因果推斷用于流行病學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、人工智能的探索中，那些助力推動(dòng)人類(lèi)認(rèn)知與現(xiàn)實(shí)進(jìn)步的數(shù)理方案，正逐漸揭開(kāi)帷幕。
一、求學(xué)與回國(guó)
時(shí)間回到1976年，20歲的耿直已經(jīng)是一個(gè)”程序員”了。當(dāng)時(shí)他在北京市測(cè)繪研究院工作，設(shè)計(jì)航空攝影測(cè)量的計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)還在使用穿孔紙帶和電傳打字機(jī)，他經(jīng)常提著一大包紙帶穿梭于北京市多家計(jì)算機(jī)中心。1978年，他考入上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)。大學(xué)期間他對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和人工智能很感興趣，為此他還和同學(xué)利用搜索與優(yōu)化的人工智能算法，為學(xué)校教務(wù)處編寫(xiě)了課程表編制軟件。
1982年，本科畢業(yè)的耿直報(bào)考研究生，因?yàn)槌煽?jī)優(yōu)異獲得了國(guó)家教委公派留學(xué)生的資格，被分配前往日本九州大學(xué)，跟隨日本著名計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)學(xué)家淺野長(zhǎng)一郎教授攻讀博士學(xué)位。
1989年耿直從日本九州大學(xué)博士畢業(yè)
經(jīng)過(guò)半年的日語(yǔ)集訓(xùn)，雖然初見(jiàn)日本是十足的陌生，但日本當(dāng)時(shí)與國(guó)內(nèi)相比堪稱(chēng)優(yōu)越的學(xué)術(shù)環(huán)境還是讓他非常興奮。當(dāng)年國(guó)內(nèi)的科研條件非常艱苦，最讓他感到困難的是書(shū)籍和期刊的缺乏。圖書(shū)館的期刊種類(lèi)少、年頭短，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的書(shū)籍和刊物以影印本為主，時(shí)間上也非常滯后。此外計(jì)算機(jī)的差距也讓他印象深刻，不同于國(guó)內(nèi)大學(xué)只能預(yù)約使用柜式計(jì)算機(jī)的有限機(jī)時(shí)，日本大學(xué)的研究生已經(jīng)能夠隨時(shí)使用身邊的微型計(jì)算機(jī)。這些差距他看在眼里，在“貪婪”地利用這些資源幫助自己學(xué)術(shù)成長(zhǎng)的同時(shí)，他也期待把先進(jìn)的理論和技術(shù)帶回國(guó)內(nèi)。“國(guó)家花錢(qián)培養(yǎng)你，學(xué)成回國(guó)是理所當(dāng)然的事情”，抱著樸素想法的耿直在博士畢業(yè)后就來(lái)到了北京大學(xué)任職。在時(shí)任概率統(tǒng)計(jì)系主任陳家鼎先生的支持下，他獲得了在當(dāng)時(shí)相對(duì)優(yōu)越的生活條件，并可以以講師身份指導(dǎo)研究生。安頓妥當(dāng)?shù)乃_(kāi)始來(lái)到因果推斷的高山前，準(zhǔn)備攀登了。
1990年前后耿直在北大南門(mén)20樓（筒子樓）住所前
二、數(shù)據(jù)迷霧中的因果：評(píng)價(jià)、發(fā)現(xiàn)與推理
在日本學(xué)習(xí)期間，置身于計(jì)算機(jī)科學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的綜合機(jī)構(gòu)，于耳濡目染之下，耿直的興趣也逐漸投向了統(tǒng)計(jì)學(xué)方面。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，深深吸引著他的就是因果推斷這一方向。因果推斷研究從數(shù)據(jù)建立因果關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法，涉及哲學(xué)、流行病學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)等諸多領(lǐng)域。但與它的廣泛應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的是，在漫長(zhǎng)的時(shí)間里，因果推斷都是統(tǒng)計(jì)學(xué)家唯恐避之不及的迷霧中的怪獸。“相關(guān)性不等于因果性”的古老告誡讓統(tǒng)計(jì)學(xué)家們?cè)诶斫馐挛镆蚬P(guān)系的道路上舉步維艱。Yule-Simpson悖論、Lord悖論等一系列悖論就是這種困難性的直接表征。目前，因果推斷的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，已經(jīng)成為了統(tǒng)計(jì)學(xué)和人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。早在上世紀(jì)九十年代初就投身因果推斷研究的耿直，也在這場(chǎng)因果革命中做出了重要貢獻(xiàn)。
在剛剛回國(guó)開(kāi)始研究的早期，耿直很快就關(guān)注到辛普森悖論（Yule-Simpson Paradox）和混雜因素的相關(guān)問(wèn)題。辛普森悖論由英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家E. H. Simpson于1951年提出，它的最早發(fā)現(xiàn)可以追溯至1903年英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家G. U. Yule。它告訴我們，忽略某些因素，會(huì)使得另外兩個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系出現(xiàn)逆反現(xiàn)象。經(jīng)典的現(xiàn)實(shí)例子是美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家P. Bickel等人（1975）發(fā)表在Science上的研究。加州大學(xué)伯克利分校研究生院男性的錄取率高于女性，而在各個(gè)專(zhuān)業(yè)中女性的錄取率反而高于男性。這種反直覺(jué)的現(xiàn)象是由于被稱(chēng)為混雜因素（專(zhuān)業(yè)）引發(fā)的。所以如何確定混雜因素就成為了因果推斷的關(guān)鍵。混雜因素長(zhǎng)期困擾著哲學(xué)、流行病學(xué)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。耿直帶領(lǐng)學(xué)生從上世紀(jì)九十年代初開(kāi)始就討論混雜因素的定義，提出判斷混雜因素的各種條件。其中一個(gè)重要的成果是，在不要求先驗(yàn)的因果假定的情形下，他們給出了判定一個(gè)變量不是混雜因素的系列準(zhǔn)則。在此之前，任何關(guān)于混雜因素的定義都依賴(lài)于先驗(yàn)的、無(wú)法經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)的因果假定，即先有了關(guān)于因果的假定后才可以判斷哪些變量是混雜因素，這顯然不能讓人滿(mǎn)足。不過(guò)讓人遺憾的是，他們證明了自己提出的準(zhǔn)則只是一個(gè)證偽性質(zhì)的準(zhǔn)則，即在沒(méi)有因果假定的情形下，只能判斷一個(gè)變量不是混雜因素，但無(wú)法判斷一個(gè)變量是混雜因素。這在某種程度上表征了因果推斷的復(fù)雜性，也暗合了哲學(xué)家波普爾的證偽主義：絕對(duì)的真理是無(wú)法感知的，只能通過(guò)證偽猜想的方法讓人的認(rèn)識(shí)逐漸上升。
在對(duì)辛普森悖論有了深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，耿直意識(shí)到將邏輯推理應(yīng)用在統(tǒng)計(jì)推斷上，很有可能引起新的悖論。2007年他與學(xué)生提出了替代指標(biāo)悖論：變量X對(duì)Y有正的因果作用，Y對(duì)Z也有正的因果作用，但是，X對(duì)Z可能會(huì)有負(fù)的因果作用。這一悖論引起了國(guó)際同行的驚異和熱議。
替代指標(biāo)是科學(xué)研究中的常用方法，因?yàn)橛^測(cè)真正的終點(diǎn)指標(biāo)要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間或很多經(jīng)費(fèi)。如何選取替代指標(biāo)就成為了至關(guān)重要的問(wèn)題。美國(guó)社會(huì)學(xué)家Moore在《致命的藥物》中就講述了一件不當(dāng)使用替代指標(biāo)造成的悲劇：醫(yī)生的常識(shí)是，心律失常是猝死的危險(xiǎn)因素；因此將糾正心律失常作為替代指標(biāo)；新研制的藥物能有效糾正心律失常，獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)該藥物雖然能糾正心律失常，但增加了數(shù)萬(wàn)猝死病例，超過(guò)越南戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)士兵的死亡人數(shù)。
目前有若干種確定替代指標(biāo)的準(zhǔn)則。統(tǒng)計(jì)替代指標(biāo)準(zhǔn)則：替代指標(biāo)切斷原因與終點(diǎn)結(jié)果的相關(guān)性；主分層替代指標(biāo)準(zhǔn)則：原因?qū)μ娲笜?biāo)沒(méi)有因果作用，它對(duì)結(jié)果就沒(méi)有因果作用；強(qiáng)替代指標(biāo)準(zhǔn)則：替代指標(biāo)切斷原因到結(jié)果的因果路徑。可以看到這些準(zhǔn)則在逐步變強(qiáng)，對(duì)可作為替代指標(biāo)的變量要求愈發(fā)嚴(yán)格。但耿直與學(xué)生告訴我們，這些準(zhǔn)則均無(wú)法避免替代指標(biāo)悖論。也就是說(shuō)即使在選取替代指標(biāo)時(shí)用目前最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法保證因果作用可以在變量間傳遞。這深刻地揭示了一個(gè)觀點(diǎn)：邏輯推理用于統(tǒng)計(jì)結(jié)論可能會(huì)出現(xiàn)悖論，統(tǒng)計(jì)結(jié)論不具有邏輯上的傳遞性！這一悖論的發(fā)現(xiàn)震驚了國(guó)際同行，其中COPSS獎(jiǎng)獲得者VanderWeele指出急需提出新的替代指標(biāo)定義和選取準(zhǔn)則，以嘗試規(guī)避替代指標(biāo)悖論，引發(fā)了一系列關(guān)于替代指標(biāo)準(zhǔn)則的研究。
在尋找和理解因果推斷中的悖論問(wèn)題，更好地探索如何評(píng)價(jià)因果作用的同時(shí)，耿直也在嘗試對(duì)因果關(guān)系的發(fā)現(xiàn)做出更深刻的描述。在眾多變量之間建立因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)NP難問(wèn)題。耿直與學(xué)生提出一系列因果學(xué)習(xí)的有效方法：分解學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、局部學(xué)習(xí)等方法，取得了顯著成果。
三、更好的認(rèn)識(shí)與更好的現(xiàn)實(shí)
回顧自己的研究，耿直非常感慨哲學(xué)對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，特別是因果推斷的影響。因果推斷與哲學(xué)的休謨問(wèn)題有著密切的聯(lián)系。就像農(nóng)場(chǎng)里被圈養(yǎng)的火雞永遠(yuǎn)無(wú)法得知農(nóng)場(chǎng)主向它們走來(lái)是為了喂食還是為了慶祝感恩節(jié)。
除了認(rèn)識(shí)論提供的靈感以外，耿直認(rèn)為自己對(duì)因果推斷的興趣也來(lái)自于流行病學(xué)近兩個(gè)世紀(jì)的研究。早在十九世紀(jì)五十年代英國(guó)爆發(fā)霍亂疫情，人們就開(kāi)始關(guān)注病因?qū)W，試圖論證病菌來(lái)自于飲用水系。二十世紀(jì)五十年代，在討論吸煙是否導(dǎo)致肺癌的大辯論中，被譽(yù)為“只手創(chuàng)造現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)”的英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家R. A. Fisher就公開(kāi)質(zhì)疑，認(rèn)為憑借觀察性研究，無(wú)法建立吸煙和肺癌的因果關(guān)系。流行病學(xué)中廣泛存在的尋找病因的任務(wù)都吸引著耿直去尋找更準(zhǔn)確的測(cè)量因果的標(biāo)尺。不僅如此，流行病學(xué)方法也極大地啟發(fā)統(tǒng)計(jì)學(xué)家。為了探索吸煙和癌癥的關(guān)系，流行病學(xué)家為了最大限度地控制混雜因素，對(duì)數(shù)據(jù)選取和收集方法都可以啟發(fā)統(tǒng)計(jì)學(xué)家更好地設(shè)計(jì)試驗(yàn)。
出于同流行病學(xué)如此顯著的聯(lián)系，耿直也參與了很多流行病學(xué)的研究。1996年他們和北京醫(yī)科大學(xué)（現(xiàn)北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部）聯(lián)合成立了流行病學(xué)與生物統(tǒng)計(jì)教學(xué)研究中心，進(jìn)行流行病學(xué)中因果推斷的方法研究。在2003年“非典”疫情爆發(fā)期間，他的團(tuán)隊(duì)也參與了科技部和中醫(yī)科學(xué)院的項(xiàng)目，提供未來(lái)三日“非典”新增感染人數(shù)的預(yù)測(cè)數(shù)字以及利用因果推斷評(píng)價(jià)中西醫(yī)結(jié)合治療“非典”的療效。
2020年12月耿直在“北京大學(xué)許寶騄講座”作報(bào)告
四、小講臺(tái)與大講臺(tái)
1989年回國(guó)來(lái)到北大的耿直就開(kāi)始指導(dǎo)研究生科研，從教三十余年，培養(yǎng)了研究生60余人，其中博士研究生20余人，他們活躍在國(guó)內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)、金融和信息技術(shù)等各行各業(yè)。他認(rèn)為培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、表達(dá)問(wèn)題的能力是基本的要求，但在此之上，他更希望學(xué)生可以通過(guò)更好地理解因果網(wǎng)絡(luò)以及反事實(shí)因果模型來(lái)建立因果推斷的直覺(jué)。“我希望我的學(xué)生成為一個(gè)懷疑論者。”考慮到因果推斷中悖論的廣泛存在，他希望學(xué)生不迷信已有結(jié)論。此外，他也希望學(xué)生可以多拓展自己的眼界，在聚焦統(tǒng)計(jì)學(xué)的同時(shí)，也多將目光投向流行病學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)等經(jīng)常應(yīng)用因果推斷方法的學(xué)科，還需要關(guān)注科學(xué)哲學(xué)中對(duì)因果的探討，這樣會(huì)更好地激發(fā)科研熱情與靈感。
學(xué)術(shù)界的“四世同堂”：耿直（右二）、學(xué)生郭建華（左二，東北師范大學(xué)副校長(zhǎng)）、郭建華的學(xué)生朱圣文（右一，東北師范大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院副院長(zhǎng)）、朱圣文的學(xué)生王鵬飛（左一，東北財(cái)經(jīng)大學(xué)）
耿直不僅在討論班的小教室里培養(yǎng)未來(lái)的統(tǒng)計(jì)人才，更將統(tǒng)計(jì)學(xué)的思想方法搬到了面向全校的大講臺(tái)前。從2017年開(kāi)始，他每學(xué)期開(kāi)設(shè)通識(shí)核心課程《普通統(tǒng)計(jì)學(xué)》。向上百名來(lái)自幾乎全校各個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生講授統(tǒng)計(jì)學(xué)的思想方法及應(yīng)用對(duì)他也是全新的考驗(yàn)，但一個(gè)明確的主題讓他在處理統(tǒng)計(jì)學(xué)的諸多線(xiàn)索時(shí)舉重若輕。“我希望讓同學(xué)們可以通過(guò)客觀數(shù)據(jù)論證自己的科學(xué)假說(shuō)。”讓數(shù)據(jù)幫助學(xué)生在各行各業(yè)檢驗(yàn)自己的科學(xué)理論，是他最希望教會(huì)同學(xué)們的技術(shù)。為此，通過(guò)基本統(tǒng)計(jì)思想和方法的教學(xué)，輔以統(tǒng)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)分析教學(xué)，他為從未接觸過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的學(xué)生們提供了完善且可拓展的“工具包”，讓他們可以在未來(lái)的學(xué)術(shù)道路上發(fā)現(xiàn)已有研究中可能的悖論，同時(shí)更好地設(shè)計(jì)自己的研究。
在公共教室的大講臺(tái)和討論班的小講臺(tái)上,耿直都得到了學(xué)生們的贊譽(yù)。但更讓學(xué)生們印象深刻的還是耿老師的溫和、謙遜與耐心。從教三十余年，他被很多學(xué)生視為統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)的領(lǐng)路人和精神導(dǎo)師。但是這些推崇并不來(lái)自于他的學(xué)術(shù)地位，而來(lái)自于討論班上對(duì)問(wèn)題的精準(zhǔn)解答、學(xué)術(shù)會(huì)議前對(duì)學(xué)生報(bào)告的耐心指導(dǎo)，以及在缺乏科研熱情時(shí)溫和但堅(jiān)定的鼓勵(lì)。很多現(xiàn)已成長(zhǎng)為優(yōu)秀統(tǒng)計(jì)學(xué)家的學(xué)生回憶起與耿直印象最深刻的相處瞬間，都不約而同地想到了和他探討自己遇到的關(guān)鍵學(xué)術(shù)問(wèn)題時(shí)的對(duì)話(huà)。這些對(duì)話(huà)可能會(huì)流經(jīng)深夜的電話(huà)線(xiàn)兩端，可能會(huì)被東門(mén)外初升的月亮灑進(jìn)辦公室，也可能會(huì)藏在學(xué)術(shù)報(bào)告幻燈片的投影背后，但相同的是，來(lái)自一位謙謙君子和風(fēng)細(xì)雨般的話(huà)語(yǔ)，卻給了他們堅(jiān)定投身統(tǒng)計(jì)學(xué)研究的力量。
耿直與學(xué)生們登頂云蒙山
面對(duì)目前在統(tǒng)計(jì)學(xué)、人工智能、流行病學(xué)和計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)等領(lǐng)域大放異彩的因果推斷研究，耿直對(duì)未來(lái)充滿(mǎn)了期待。“統(tǒng)計(jì)學(xué)某種意義上為科學(xué)提供了哲學(xué)層面的方法論”。他希望隨著因果推斷的發(fā)展，人們可以被告知一個(gè)問(wèn)題可被認(rèn)知的程度和水平。給定若干變量的數(shù)據(jù)集，人類(lèi)的認(rèn)識(shí)是否可以達(dá)到因果關(guān)系，還是只能被限制在相關(guān)關(guān)系的水平上，是依賴(lài)于更嚴(yán)格的判定準(zhǔn)則的。而因果關(guān)系的證偽，按波普爾的觀點(diǎn)，也蘊(yùn)含著人類(lèi)知識(shí)的積累。因果推斷在人工智能上的發(fā)展則更讓人相信，我們也許可以讓機(jī)器具有概率意義上的邏輯能力，從而具有因果推斷的智能，那時(shí)我們的科學(xué)研究甚至可以放心交給機(jī)器來(lái)進(jìn)行。在這樣的愿景中，耿直嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格與謙遜溫和的人格魅力，也會(huì)激勵(lì)更多的人加入統(tǒng)計(jì)學(xué)研究，加入因果推斷研究事業(yè)中來(lái)。
人物簡(jiǎn)介
耿直，北京大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授。1982年獲上海交通大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1989年獲日本九州大學(xué)博士學(xué)位。1989年至今在北京大學(xué)概率統(tǒng)計(jì)系任教。主要研究方向?yàn)橐蚬茢唷?shù)理統(tǒng)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)、因果網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、圖模型等。1998年當(dāng)選國(guó)際統(tǒng)計(jì)學(xué)會(huì)推選會(huì)員，1998年獲國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目。曾任中國(guó)數(shù)學(xué)會(huì)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、IMS-China主席、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)科評(píng)議組成員等職務(wù)。榮獲國(guó)家教委科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、全國(guó)統(tǒng)計(jì)科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。
文 | 季策
編輯 | 劉文欣
圖 | 受訪(fǎng)者提供
