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PostResearch / BioInfo

CSN & cCSN & PC

2025-01-17
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CSN & cCSN & PC ​

CSN ​

BTYkue

ctGsOp

文章提出了一种基于统计依赖性的计算方法来构建每个细胞的基因-基因网络。

px(k) 和 py(k) 是单个基因的边缘概率,分别表示在单个细胞中基因 x 和基因 y 的表达概率。

pxy(k) 是基因 x 和基因 y 在同一个细胞中的联合概率,表示这两个基因的联合表达概率。

  • 对于每对基因 x 和 y,定义一个新的统计量 ρxy(k),用于度量它们在单个细胞 k 中的独立性。这一统计量的计算过程基于概率的频率估算,具体步骤包括:
    • 计算每个基因的边缘频率 px(xk) 和 py(yk),这两者分别是基因 x 和基因 y 在细胞 k 中的表达频率。
    • 计算基因对 (x,y) 在细胞 k 中的联合频率 pxy(xk,yk)。

通过以下公式来估算这些概率:

边缘概率估算:

fX(xk)≈nx(k)n,fY(yk)≈ny(k)n

其中,nx(k) 是在细胞 k 附近的细胞中,基因 x 表达量相近的细胞的个数。n 是总的样本数。ny(k)也一样

f(xk,yk)≈nxy(k)n

可以得到每个细胞中基因对的独立性统计量 ρxy(k),并根据其值来决定是否在特定细胞网络中连接这对基因。

PC ​

PC 算法的主要步骤如下:

  1. 初始化阶段:首先,PC 算法假设所有的变量之间都有边相连,即它开始时认为每对变量之间都有可能存在直接的因果关系。

  2. 独立性检验:然后,PC 算法通过对每对变量之间进行条件独立性检验来逐步删除图中的边。具体地,算法使用统计检验(如假设检验)来判断在控制其他变量的情况下,两个变量是否独立。如果独立,则表示这两个变量之间没有直接的因果关系,算法将删除该边。主要修改这部分代码

  3. 逐步删除边:PC 算法采用逐步消除的策略,首先检测一对变量之间的边,然后逐渐增加控制的变量集合,直到无法进一步简化图结构。

  4. 有向边与无向边:在完成边的删除后,PC 算法通过确定变量之间的条件独立性来确定哪些边应该是有向边。这个阶段通常需要额外的步骤来确定方向性,通常依赖于启发式规则和额外的假设(例如,假设数据来自于一个“真实”因果过程)。

  5. 生成因果图:最后,PC 算法会输出一个因果结构图,图中的边表示变量之间可能的因果关系。

独立性检验 ​

独立性 ​

两个随机变量 X 和 Y 被认为是独立的,如果它们的联合分布等于它们各自的边缘分布的乘积。即:

P(X=x,Y=y)=P(X=x)⋅P(Y=y)

换句话说,X 和 Y 不会互相影响,它们的出现是独立的。用概率的语言来说,X 和 Y 独立的条件是:

X⊥YifP(X,Y)=P(X)P(Y)

条件独立性 ​

条件独立性表示,在给定一个或多个变量的条件下,两个变量独立。用数学公式表示,如果给定了一个变量集合 Z,则X 和 Y 在条件集合 Z 下是独立的,记作:

X⊥Y∣Z

这意味着,在已知 Z 的情况下,X 和 Y 之间没有依赖关系。用概率的语言表示条件独立性:

P(X,Y∣Z)=P(X∣Z)⋅P(Y∣Z)

即,条件独立性意味着,在条件 Z 下,X 和 Y 的联合分布等于它们各自条件分布的乘积。

贝叶斯定理 ​

贝叶斯定理可以用以下公式表示:

P(A∣B)=P(B∣A)P(A)P(B)=P(A∧B)P(B)

其中:

  • P(A∣B):在事件 B 已经发生的条件下,事件 A 发生的条件概率(后验概率)。
  • P(B∣A):在事件 A 已经发生的条件下,事件 B 发生的条件概率(似然函数)。
  • P(A):事件 A 发生的先验概率,表示在没有任何证据的情况下,事件 A 发生的概率。
  • P(B):事件 B 发生的总概率,可以通过全概率公式计算得到。

c-CSN ​

rFtajx

x, y 表示进行独立性检验的两个基因,Z 表示一个集合

根据条件独立性的定义

P(xk,yk∣Zk)=P(xk∣Zk)⋅P(yk∣Zk)P(xk,yk∣Zk)=p(xy(k)∧Z(k))pZ(k)=p(xyZ(k))pZ(k)=nxyZ(k)nZ(k)P(xk∣Zk)=p(x(k)∧Z(k))pZ(k)=p(xZ(k))pZ(k)=nxZ(k)nZ(k)P(yk∣Zk)=p(y(k)∧Z(k))pZ(k)=p(yZ(k))pZ(k)=nyZ(k)nZ(k)ρ(xy|Z)(k)=P(xk,yk∣Zk)−P(xk∣Zk)⋅P(yk∣Zk)=nxyZ(k)nZ(k)−nxZ(k)nZ(k)⋅nyZ(k)nZ(k)=nxyZ(k)nZ(k)−nxZ(k)⋅nyZ(k)nZ(k)2