Exploring Tolerance Selection and Multifidelity Techniques in an Approximate Bayesian Computation Framework

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Sousa, Graziele Daiana Sena de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica
Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)
Brasil
LNCC
Programa de pós-graduação em Modelagem Computacional
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/399
Resumo: Statistical inference is essential in scientific research, providing the framework for drawing conclusions and making predictions based on data across various fields. The effectiveness of inference depends on how well mathematical models fit the data, with model fitting and parameter estimation being critical to ensuring model robustness and reliability. However, achieving accurate parameter estimation remains a significant challenge in statistical inference. The Bayesian framework has proven effective in addressing these challenges, offering a robust approach to making inferences. Bayesian inference often involves calculating the likelihood function, which can be computationally demanding or even infeasible in some cases. To address these, Approximate Bayesian Computation (ABC) has been developed, allowing for inference without explicit likelihood calculations. ABC methods approximate the posterior distribution using samples from the prior distribution, though they are computationally intensive due to the large number of model simulations required. A key issue in ABC is the selection of tolerance values, which significantly impacts the algorithm’s success. A variant of ABC methods is the Sequential Monte Carlo Approximate Bayesian Computation (ABC-SMC) method, which uses a sequence of decreasing tolerances to guide the algorithm through the parameter space, improving posterior approximation accuracy while reducing computational costs. This research focuses on analyzing tolerance selection techniques and applying multifidelity processes in ABC methodology, particularly in epidemiological problems. The study compares different tolerance strategies within ABC-SMC to improve inference accuracy and explores the integration of multifidelity techniques to reduce computational costs while maintaining or improving result accuracy. Two epidemiological models of varying complexity are used to test these methods. The study found that adaptive methods to select tolerances, particularly those based on percentiles, offered significant advantages in inference accuracy. Furthermore, the multifidelity technique effectively reduced computational costs without compromising accuracy, making it suitable for high-dimensional models.
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spelling Exploring Tolerance Selection and Multifidelity Techniques in an Approximate Bayesian Computation FrameworkExplorando técnicas de seleção de tolerância e multifidelidade em uma estrutura de computação bayesiana aproximadaInferência BayesianaComputação Bayesiana Aproximada (ABC)Seleção de tolerânciaTécnicas de multifidelidadeProblemas epidemiológicosCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAOStatistical inference is essential in scientific research, providing the framework for drawing conclusions and making predictions based on data across various fields. The effectiveness of inference depends on how well mathematical models fit the data, with model fitting and parameter estimation being critical to ensuring model robustness and reliability. However, achieving accurate parameter estimation remains a significant challenge in statistical inference. The Bayesian framework has proven effective in addressing these challenges, offering a robust approach to making inferences. Bayesian inference often involves calculating the likelihood function, which can be computationally demanding or even infeasible in some cases. To address these, Approximate Bayesian Computation (ABC) has been developed, allowing for inference without explicit likelihood calculations. ABC methods approximate the posterior distribution using samples from the prior distribution, though they are computationally intensive due to the large number of model simulations required. A key issue in ABC is the selection of tolerance values, which significantly impacts the algorithm’s success. A variant of ABC methods is the Sequential Monte Carlo Approximate Bayesian Computation (ABC-SMC) method, which uses a sequence of decreasing tolerances to guide the algorithm through the parameter space, improving posterior approximation accuracy while reducing computational costs. This research focuses on analyzing tolerance selection techniques and applying multifidelity processes in ABC methodology, particularly in epidemiological problems. The study compares different tolerance strategies within ABC-SMC to improve inference accuracy and explores the integration of multifidelity techniques to reduce computational costs while maintaining or improving result accuracy. Two epidemiological models of varying complexity are used to test these methods. The study found that adaptive methods to select tolerances, particularly those based on percentiles, offered significant advantages in inference accuracy. Furthermore, the multifidelity technique effectively reduced computational costs without compromising accuracy, making it suitable for high-dimensional models.A inferência estatística é essencial na pesquisa científica, fornecendo a estrutura para tirar conclusões e fazer previsões com base em dados em diversas áreas. A eficácia da inferência depende de quão bem os modelos matemáticos se ajustam aos dados, sendo o ajuste de modelos e a estimativa de parâmetros fundamentais para garantir a robustez e a confiabilidade dos modelos. No entanto, alcançar uma estimativa precisa de parâmetros continua sendo um desafio significativo na inferência estatística. A abordagem Bayesiana tem se mostrado eficaz em lidar com esses desafios, oferecendo um método robusto para fazer inferências. A inferência Bayesiana frequentemente envolve o cálculo da função de verossimilhança, que pode ser computacionalmente exigente ou até inviável em alguns casos. Para resolver isso, foi desenvolvida a Computação Bayesiana Aproximada (ABC), permitindo a inferência sem cálculos explícitos de verossimilhança. Métodos ABC aproximam a distribuição a posteriori usando amostras da distribuição a priori, embora sejam computacionalmente intensivos devido ao grande número de simulações de modelos necessárias. Um problema chave no ABC é a seleção de valores de tolerância, que impacta significativamente o sucesso do algoritmo. Uma variante dos métodos ABC é o método de Computação Bayesiana Aproximada Sequencial Monte Carlo (ABC-SMC), que utiliza uma sequência de tolerâncias decrescentes para guiar o algoritmo pelo espaço de parâmetros, melhorando a precisão da aproximação a posteriori enquanto reduz os custos computacionais. Esta pesquisa foca na análise de técnicas de seleção de tolerância e na aplicação de processos de multifidelidade na metodologia ABC, particularmente em problemas epidemiológicos. O estudo compara diferentes estratégias de tolerância dentro do ABC-SMC para melhorar a precisão da inferência e explora a integração de técnicas de multifidelidade para reduzir os custos computacionais, mantendo ou melhorando a precisão dos resultados. Dois modelos epidemiológicos de complexidade variável são usados para testar esses métodos. O estudo concluiu que métodos adaptativos para selecionar tolerâncias, particularmente aqueles baseados em percentis, ofereceram vantagens significativas na precisão da inferência. Além disso, a técnica de multifidelidade reduziu efetivamente os custos computacionais sem comprometer a precisão, tornando-a adequada para modelos de alta dimensionalidade.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESLaboratório Nacional de Computação CientíficaCoordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)BrasilLNCCPrograma de pós-graduação em Modelagem ComputacionalSilva, Renato SimõesCerqueira, Regina Célia AlmeidaCoutinho, Alvaro Luiz Gayoso de AzeredoSilva, Wellington Betencurte daBorges, Márcio RentesSousa, Graziele Daiana Sena de2024-10-25T12:25:51Z2024-08-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSOUSA, Graziele Daiana Sena de. Exploring tolerance selection an multifidelity techniques in an approximate bayesian computation framework. Petrópolis, RJ, 2024. 102 f. Dissertação (Mestrado em modelagem computacional) - Laboratório Nacional de Computação Científica, Petrópolis, 2024.https://tede.lncc.br/handle/tede/399enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCCinstname:Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)instacron:LNCC2025-01-24T16:51:06Zoai:tede-server.lncc.br:tede/399Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://tede.lncc.br/PUBhttps://tede.lncc.br/oai/requestlibrary@lncc.br||library@lncc.bropendoar:2025-01-24T16:51:06Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC - Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)false
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