【パッケージ開発】coresynthで合成コントロール法を高速に実装

C++実装による高速化と6つの手法を統一インターフェースで提供します。

R
公開

2026年6月1日

最終更新

2026年7月1日

dev version R-CMD-check License: MIT Lifecycle: experimental

はじめに

本ページでは、合成コントロール法(SCM)とその関連手法を統一インターフェースで提供するパッケージ、coresynthについて説明します。関数リファレンスや変更履歴など詳細はこちらも参考にしてください。

coresynthの最大の特徴はパフォーマンスです。計算上のボトルネックをすべてC++(RcppArmadillo)で実装しており、純Rの代替実装と比べてかなり高速化しています。

このパッケージでは、推定だけでなく可視化・推論・ロバストネス確認・JSON出力まで一連の分析フローを同じインターフェースで実行できます。たとえばConformal推論(conformal_inference())を使えば、scm/sdid/gsc/mc/siのシャープフィットに対して置換p値と信頼区間を計算できます。

Noteご意見待ってます

実装・挙動に関するフィードバックや機能リクエストは、ページ下のコメントかGitHubのIssuesまでお寄せください。

このパッケージでできること

  • 6つの推定量(scm/sdid/gsc/mc/tasc/si)をscm_fit()で統一的に推定
  • SharpだけでなくStaggered Adoption(およびSIではマルチアーム)にも対応
  • plot()でトレンド差・ギャップ・ウェイトを共通フォーマットで可視化
  • 手法ごとの推論関数に加え、Conformal推論で仮定依存の小さい推論を実行
  • export_json()で結果をJSONに保存し、再現可能な分析フローを構築

coresynthが対応する推定量は以下の6つです。

推定量 method 参考文献
Synthetic Control Method "scm" Abadie et al. (2010)
Synthetic Difference-in-Differences "sdid" Arkhangelsky et al. (2021)
Generalised Synthetic Control "gsc" Xu (2017)
Matrix Completion "mc" Athey et al. (2021)
Time-Aware Synthetic Control "tasc" Rho et al. (2026)
Synthetic Interventions "si" Agarwal et al. (2024)

また、各推定量に対して複数の推論手法が利用できます。

推論手法 対応推定量 関数
MSPE比率置換検定 scm mspe_ratio_pval()
プラセボ / Bootstrap / Jackknife sdid sdid_inference()
パラメトリックBootstrap gsc gsc_boot()
ノンパラメトリックBootstrap / Jackknife gsc gsc_inference()
Bootstrap / Jackknife si si_inference()
Conformal推論(CWZ 2021) scm, sdid, gsc, mc, si conformal_inference()

インストール

CRANに公開されましたので、以下のコマンドでインストールできます。

pak::pak("coresynth")
# install.packages("coresynth")

# 開発版をインストールする場合
pak::pak("yo5uke/coresynth")

準備

パッケージを読み込みます。

library(coresynth)

本ページで使用するデータを生成します。47都道府県に相当するバランスパネル(ユニット数47、期間数30、真のATT = 2.5)を3因子モデルで生成します。

set.seed(2024)
N <- 47 # ユニット数(都道府県数相当)
TT <- 30 # 期間数(年)
T_pre <- 20 # 処置前期間
r <- 3 # 潜在因子数

# 3因子モデルによるパネル生成
F_t <- matrix(0, TT, r)
for (j in seq_len(r)) {
  F_t[, j] <- cumsum(rnorm(TT, 0, 0.4))
}
L_i <- matrix(abs(rnorm(N * r, 1, 0.3)), N, r)
Y <- L_i %*% t(F_t) + matrix(rnorm(N * TT, 0, 0.5), N, TT)

dat <- expand.grid(
  time = seq_len(TT),
  id = paste0("pref_", sprintf("%02d", seq_len(N)))
)
dat <- dat[order(dat$id, dat$time), ]

true_att <- 2.5
dat$y <- as.vector(t(Y))
dat$d <- as.integer(dat$id == "pref_01" & dat$time > T_pre)
dat$y[dat$d == 1] <- dat$y[dat$d == 1] + true_att # 真のATT = 2.5

idがユニット識別変数(pref_01pref_47)、timeが時間変数(1〜30)、yが結果変数、dが処置変数(処置ユニットpref_01が21期目以降に処置)です。pref_01以外の46ユニットがドナープールとなります。

表 1: データの先頭5行
time id y d
1 pref_01 0.48436018 0
2 pref_01 -0.04823072 0
3 pref_01 0.26755165 0
4 pref_01 0.70935689 0
5 pref_01 1.86655560 0
6 pref_01 2.09115042 0

scm_fit()

scm_fit()はすべての手法への統一エントリーポイントです。フォーミュラは 結果変数 ~ 処置変数 | ユニットID + 時間ID の形式で指定します。重要な点として、処置変数はあらかじめ作成が必要です。「処置ユニットかつ処置時点以降は1、それ以外は0」となるように処置変数を設定してください。

scm_fit(
  formula,
  data,
  method = c("scm", "sdid", "gsc", "mc", "tasc", "si"),
  predictors = NULL,
  covariates = NULL,
  v_selection = c("insample", "oos"),
  donor_mspe_threshold = Inf,
  lambda_pen = NULL,
  v_optim = c("coord_descent", "auto", "bfgs"),
  ...
)
引数 説明
formula y ~ d | unit + time 形式のFormulaオブジェクト
data ロング形式のデータフレーム(1行 = 1ユニット×1時点)
method 推定手法の選択("scm", "sdid", "gsc", "mc", "tasc", "si"
predictors SCM用の予測変数リスト(pred()で指定)。NULLの場合は処置前アウトカムの各時点をそのまま予測変数として使用(期間平均ではない)
covariates 時変共変量の列名("sdid", "scm", "gsc"でサポート)
v_selection SCM用のV行列選択方法。"insample"(デフォルト)または Abadie (2021)"oos"
donor_mspe_threshold ドナープール絞り込みの閾値(SCMのみ。デフォルトInfで無効)
lambda_pen ペナルティSCMのペナルティパラメータ(SCMのみ。NULLで通常SCM、"auto"で自動選択)
v_optim V外部最適化の手法。"coord_descent"(デフォルト)、"bfgs""auto"

predictors = NULL は「処置前を1期ずつ合わせる」設定です。処置前全期間の平均で合わせたい場合は、pred(..., op = "mean") を明示的に指定します。

すべての手法は c("coresynth_<method>", "coresynth") クラスのオブジェクトを返します。共通フィールドは以下の通りです。

  • method:推定量名
  • estimate:ATT推定値
  • times:時間インデックスベクトル
  • T_pre:処置前期間数
  • Y_treat:処置ユニットの結果系列
  • gap:処置効果系列(\(Y_{\text{treat}} - Y_{\text{synthetic}}\)

SCM(method = "scm"

先述の通り、yはアウトカム、dは処置ユニットかつ処置後で1になる変数です。idtimeはユニットIDと時間IDを表す列名で、|の右側で指定します。

fit_scm <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "scm")
print(fit_scm)
=== coresynth fit ===
Method : SCM 
Estimate (ATT): 2.7521 
Pre-treatment periods: 20 
summary(fit_scm)
=== coresynth summary ===
Method : SCM 
Periods : T_pre = 20 | T_post = 10 
ATT estimate: 2.752104 
Unit weights (non-zero donors):
pref_06 pref_08 pref_15 pref_16 pref_20 pref_30 pref_35 pref_39 pref_47 
 0.2634  0.1615  0.1564  0.0778  0.0729  0.0794  0.0681  0.0732  0.0472 

予測変数の指定(pred()

SCMは pred() 関数を使って Abadie et al. (2010) §2.3の予測変数行列を指定できます。

# dat に income, unemp 列がある想定の例
fit_scm_cov <- scm_fit(
  y ~ d | id + time,
  data   = dat,
  method = "scm",
  predictors = list(
    pred(c("income", "unemp"), 1:8),     # 1〜8期平均
    pred("y", 5),                         # 5期の結果変数
    pred("y", 1:4, op = "mean")           # 1〜4期の平均
  )
)

pred()op 引数には "mean"(デフォルト)、"median""sum" が指定できます。

処置前全期間の平均を1つのpredictorとして使いたい場合は、次のように書けます。

fit_scm_mean <- scm_fit(
  y ~ d | id + time,
  data = dat,
  method = "scm",
  predictors = list(
    pred("y", 1:T_pre, op = "mean")
  )
)

実務的には、predictors = NULL(各時点を使う)を基準にしつつ、ノイズを平滑化したい場合に期間平均のpred()を使い分けるのがおすすめです。

smokingデータを使った例

僕が以前使っていたtidysynthとの比較を、カリフォルニアにおけるProposition 99の例で検証してみます。

データはtidysynthの組み込みデータセット smoking を使用します。

コード
library(tidyverse)
library(tidysynth)
data("smoking")

smoking_out <- smoking |>
  synthetic_control(
    outcome = cigsale,
    unit = state,
    time = year,
    i_unit = "California",
    i_time = 1988,
    generate_placebos = TRUE
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1980:1988,
    ln_income = mean(lnincome, na.rm = TRUE),
    ret_price = mean(retprice, na.rm = TRUE),
    youth = mean(age15to24, na.rm = TRUE)
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1980:1988,
    ln_cigsale = mean(cigsale, na.rm = TRUE)
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1984:1988,
    beer_sales = mean(beer, na.rm = TRUE)
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1975,
    cigsale_1975 = cigsale
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1980,
    cigsale_1980 = cigsale
  ) |>
  generate_predictor(
    time_window = 1988,
    cigsale_1988 = cigsale
  ) |>
  generate_weights(
    optimization_window = 1970:1988,
    margin_ipop = .02,
    sigf_ipop = 7,
    bound_ipop = 6
  ) |>
  generate_control()

plot_trends(smoking_out)
# 以下、coresynthで同じ分析を実行
panel <- smoking |>
  mutate(d = if_else(state == "California" & year >= 1988, 1L, 0L))

fit_scm_smoking <- scm_fit(
  cigsale ~ d | state + year,
  data = panel,
  method = "scm",
  predictors = list(
    pred(c("lnincome", "retprice", "age15to24"), 1980:1988),
    pred("cigsale", 1980:1988, op = "mean"),
    pred("cigsale", 1975),
    pred("cigsale", 1980),
    pred("cigsale", 1988)
  )
)

plot(fit_scm_smoking, type = "trend") +
  labs(title = "SCM: California Cigarette Sales") +
  theme(legend.position = "bottom")

tidysynthの結果

coresynthの結果

ご覧のとおり、両者からほぼ同じ結果が得られています。tidysynthは内部でSynthパッケージを呼び出しているのですが、Synthcoresynthは同じ最適化問題を異なるアルゴリズムで解いているため、わずかな差が生じます。これは推定手法そのものの違いではなく、ソルバーの収束に由来する数値的な差であり、どちらの結果も妥当です。

SDID(method = "sdid"

fit_sdid <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "sdid")
print(fit_sdid)
=== coresynth fit ===
Method : SDID 
Estimate (ATT): 2.5266 
Pre-treatment periods: 20 

GSC(method = "gsc"

fit_gsc <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "gsc")
print(fit_gsc)
=== coresynth fit ===
Method : GSC 
Estimate (ATT): 2.5552 
Pre-treatment periods: 20 

GSCは時変共変量の調整を covariates 引数でサポートしています(dataの列名を文字ベクトルで指定)。内部では Xu (2017) の完全EMアルゴリズム(E-step:因子モデルのSVD、M-step:残差への共変量OLS)を実行します。

MC(method = "mc"

fit_mc <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "mc")
print(fit_mc)
=== coresynth fit ===
Method : MC 
Estimate (ATT): 2.5198 
Pre-treatment periods: 20 

核ノルム正則化による行列補完(Soft-Impute)で反事実を推定します。

TASC(method = "tasc"

fit_tasc <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "tasc")
print(fit_tasc)
=== coresynth fit ===
Method : TASC 
Estimate (ATT): 2.1725 
Pre-treatment periods: 20 

カルマンEMによる時間考慮型合成コントロール (Rho et al. 2026) です。

SI(method = "si"

fit_si <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = "si")
print(fit_si)
=== coresynth fit ===
Method : SI 
Estimate (ATT): 2.6972 
Pre-treatment periods: 20 

SI-PCR(主成分回帰)に基づく合成介入法 (Agarwal et al. 2024) です。シャープ・Staggered・マルチアームすべてに対応しています。

6手法の比較

methods <- c("scm", "sdid", "gsc", "mc", "tasc", "si")
fits <- lapply(methods, \(m) scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat, method = m))
names(fits) <- methods

data.frame(
  method = methods,
  estimate = round(sapply(fits, `[[`, "estimate"), 3)
)
     method estimate
scm     scm    2.752
sdid   sdid    2.527
gsc     gsc    2.555
mc       mc    2.520
tasc   tasc    2.172
si       si    2.697

真のATTは2.5です。

Staggered Adoption

6つの手法すべてがStaggered Adoptionに対応していますが、内部の扱いは2通りに分かれます。

  • scm / sdid / gsc / si:各コホートを個別に推定し、\(N_{\text{treated}} \times T_{\text{post}}\) に比例したウェイトでATTを集計するアプローチ (Clarke et al. 2024) を採用しています。結果には$cohort_estimatesフィールドが追加され、control_group引数でドナープールを制御できます。
  • mc / tasc:コホート分割は行わず、各処置ユニット固有の処置開始時点以降を欠測値として扱う補完ベースの手法でStaggered Adoptionに対応します。ATTは処置ユニットごとの事後平均ギャップの単純平均です。$cohort_estimatescontrol_groupはサポートされません。
# pref_01: 21期から処置、pref_02: 26期から処置
dat_s <- dat
dat_s$d <- 0L
dat_s$d[dat_s$id == "pref_01" & dat_s$time > 20] <- 1L
dat_s$d[dat_s$id == "pref_02" & dat_s$time > 25] <- 1L
dat_s$y[dat_s$d == 1] <- dat_s$y[dat_s$d == 1] + 2.5

fit_sdid_s <- scm_fit(y ~ d | id + time, data = dat_s, method = "sdid")
print(fit_sdid_s)
=== coresynth fit ===
Method : SDID 
Estimate (ATT): 4.1633 
Pre-treatment periods: 20 

コホート別の推定値は $cohort_estimates フィールドで確認できます(scm/sdid/gsc/siのみ)。

fit_sdid_s$cohort_estimates
  cohort n_treated T_pre T_post estimate    weight
1     21         1    20     10 4.864657 0.6666667
2     26         1    25      5 2.760581 0.3333333

control_group 引数でドナープールを制御できます(scm/sdid/gsc/siのみ)。

  • "clean"(デフォルト):never-treated + future adoptersをドナーとして使用 (Clarke et al. 2024)
  • "never_treated":never-treatedのみを使用
fit_sdid_never <- scm_fit(
  y ~ d | id + time,
  data          = dat_s,
  method        = "sdid",
  control_group = "never_treated"
)

plot()

plot() で3種類のプロットを出力できます。

plot(fit, type = c("trend", "gap", "weights"))
  • "trend":処置ユニット vs. 合成コントロールの時系列
  • "gap":処置効果の時系列(\(Y_{\text{treated}} - Y_{\text{synthetic}}\)
  • "weights":ドナーユニットのウェイト棒グラフ(SCM・SDID・SI)

Trend プロット

plot(fit_scm, type = "trend")

plot(fit_sdid, type = "trend")

plot(fit_gsc, type = "trend")

Gap プロット

plot(fit_scm, type = "gap")

垂直の点線が処置開始時点、水平の破線が0です。

Weights プロット

plot(fit_scm, type = "weights")

ggplotとの互換性

プロット系の関数はggplot2ベースなので、ggplotの関数をつなげることも可能です。

library(ggplot2)

plot(fit_scm, type = "trend") +
  labs(title = "SCM: Observed vs. Synthetic Control") +
  theme_bw() +
  theme(legend.position = "bottom")

推論

各推定量に対応した推論関数が用意されています。

どの推論を使うか

  • SCMでドナー単位のプラセボ比較を行いたい:mspe_ratio_pval()
  • SDIDで標準的な推論(placebo / bootstrap / jackknife)を使いたい:sdid_inference()
  • GSCの因子モデルに合わせたパラメトリック推論を使いたい:gsc_boot()
  • GSC/SIでノンパラメトリック推論を使いたい:gsc_inference(), si_inference()
  • scm/sdid/gsc/mc/siのシャープフィットで置換ベースの区間推論を使いたい:conformal_inference()

SCM:MSPE比率置換検定(mspe_ratio_pval()

Abadie et al. (2010) / Abadie (2021) のMSPE比率に基づく置換検定です。各ドナーを処置ユニットとして扱ったプラセボSCMを推定します。

inf_scm <- mspe_ratio_pval(fit_scm)
inf_scm$p_value
[1] 0.0212766
mspe_ratio_pval(
  fit,
  mspe_threshold = 0,     # プラセボに含める最小MSPE(デフォルト:0)
  max_iter       = 100L,
  tol            = 1e-4,
  use_covariates = FALSE, # 予測変数をプラセボにも適用するか
  alternative    = c("two.sided", "greater", "less")
)

SCMのロバストネス確認

SCMでは、MSPE比率置換検定に加えて次の診断も利用できます。

  • placebo_in_time():介入時点を処置前にずらすin-time placebo(バックデーティング)
  • loo_donors():重みのついたドナーを1つずつ除外するleave-one-out診断
# 介入時点を処置前にずらしたプラセボ診断
pit <- placebo_in_time(fit_scm)
pit$placebo_att
[1] 0.877111
# 寄与ドナーを1つずつ除外した頑健性確認
loo <- loo_donors(fit_scm)
loo$att_range
[1] 2.689093 2.841381

SDID:sdid_inference()

Clarke et al. (2024) に基づく3種類の推論手法を提供します。

# プラセボ検定(デフォルト)
inf_sdid <- sdid_inference(fit_sdid, method = "placebo")
inf_sdid$p_value
[1] 0.0212766
# ブートストラップ(SE・CI付き)
inf_sdid_boot <- sdid_inference(
  fit_sdid,
  method = "bootstrap",
  n_boot = 200,
  seed = 42
)
inf_sdid_boot$se
[1] 0.1812056
inf_sdid_boot$ci_lower
[1] 2.192366
inf_sdid_boot$ci_upper
[1] 2.972953
sdid_inference(
  fit,
  method      = c("placebo", "bootstrap", "jackknife", "jackknife_global"),
  n_boot      = 200L,   # bootstrap のみ
  level       = 0.95,
  alternative = c("two.sided", "greater", "less"),
  seed        = NULL
)

GSC:gsc_boot()

Xu (2017) §3のパラメトリックBootstrapです。推定された因子モデルから帰無仮説下の分布を生成します。

inf_gsc <- gsc_boot(fit_gsc, B = 499, seed = 42)
inf_gsc$p_value
[1] 0
inf_gsc$ci_lower
[1] -0.5585225
inf_gsc$ci_upper
[1] 0.5787406
gsc_boot(
  fit,
  B     = 499L,
  alpha = 0.05,
  seed  = NULL
)

SI:si_inference()

Agarwal et al. (2024) のノンパラメトリックBootstrap / Jackknife推論です。Staggeredフィットにも対応しています。

inf_si <- si_inference(fit_si, method = "bootstrap", n_boot = 499, seed = 42)
inf_si$p_value
[1] 4.194905e-223
si_inference(
  fit,
  method      = c("bootstrap", "jackknife", "jackknife_global"),
  n_boot      = 499L,
  level       = 0.95,
  alternative = c("two.sided", "greater", "less"),
  seed        = NULL
)

Conformal推論:conformal_inference()

Chernozhukov et al. (2021) の手法です。Moving-Block置換を用いた置換p値と信頼区間を返します。scm/sdid/gsc/mc/siシャープフィットに対応しています。

inf_conf <- conformal_inference(fit_scm, level = 0.95)
inf_conf$p_value
[1] 0.03333333
inf_conf$ci_lower
[1] 1.211775
inf_conf$ci_upper
[1] 5.46472
# SDIDでも同様に使える
inf_conf_sdid <- conformal_inference(fit_sdid, level = 0.95)
inf_conf_sdid$p_value
[1] 0.06666667
conformal_inference(
  fit,
  tau0        = 0,    # 帰無仮説のATT(デフォルト:0)
  q           = 1,    # S_q統計量の指数(デフォルト:1)
  alternative = c("two.sided", "greater", "less"),
  ci          = TRUE,
  level       = 0.95,
  grid        = NULL,     # 候補値ベクトル(NULLの場合は自動設定)
  n_grid      = 200L,
  grid_mult   = 4
)
引数 説明
fit scm_fit()の結果(scm/sdid/gsc/mc/si、シャープフィット)
tau0 報告するp値の帰無ATT(デフォルト:0)
q \(S_q = (T_{\text{post}}^{-1}\sum\lvert u_t\rvert^q)^{1/q}\) の指数。2値フィットでのみ有効
alternative 対立仮説の方向
ci 信頼区間を構築するか(デフォルト:TRUE
level 信頼水準(デフォルト:0.95)
grid 検定反転の候補\(\tau_0\)ベクトル。NULLの場合は自動設定
n_grid グリッド点数(デフォルト:200)
grid_mult グリッド半幅の乗数(デフォルト:4)

broommodelsummaryとの連携

推論結果はbroomと互換性があります。

broom::tidy(inf_conf)
broom::glance(inf_conf)

JSON出力(export_json()

再現性ワークフロー向けに、推定結果をJSONとして出力できます。

export_json(fit_scm, file = "scm_results.json")

# 推論結果も含める場合
export_json(fit_scm, file = "scm_results.json", inference = inf_scm)

file = NULL を指定するとファイルには書き出さず、Rリストを invisibly に返します。

おわりに

coresynthは6つの合成コントロール関連手法を統一インターフェースで提供し、C++実装による高速化を実現しています。フィードバックも積極的に受け付けていますので、もし「使いにくい」や「こんな機能が欲しい」、バグの発見等ありましたら、以下のコメントやGitHubのIssuesまでお願いします。

参考文献

Abadie, Alberto. 2021. "Using Synthetic Controls: Feasibility, Data Requirements, and Methodological Aspects". Journal of Economic Literature 59 (2): 391–425. https://doi.org/10.1257/jel.20191450.
Abadie, Alberto, Alexis Diamond, and Jens Hainmueller. 2010. "Synthetic Control Methods for Comparative Case Studies: Estimating the Effect of California’s Tobacco Control Program". Journal of the American Statistical Association 105 (490): 493–505. https://doi.org/10.1198/jasa.2009.ap08746.
Agarwal, Anish, Devavrat Shah, and Dennis Shen. 2024. "Synthetic Interventions". https://doi.org/10.48550/arXiv.2006.07691.
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