We develop sampling algorithms to fit Bayesian hierarchical models, the computational complexity of which scales linearly with the number of observations and the number of parameters in the model. We focus on crossed random effect and nested multilevel models, which are used ubiquitously in applied sciences. The posterior dependence in both classes is sparse: in crossed random effects models it resembles a random graph, whereas in nested multilevel models it is tree-structured. For each class we identify a framework for scalable computation, building on previous work. Methods for crossed models are based on extensions of appropriately designed collapsed Gibbs samplers, where we introduce the idea of local centering; while methods for nested models are based on sparse linear algebra and data augmentation. We provide a theoretical analysis of the proposed algorithms in some simplified settings, including a comparison with previously proposed methodologies and an average-case analysis based on random graph theory. Numerical experiments, including two challenging real data analyses on predicting electoral results and real estate prices, compare with off-the-shelf Hamiltonian Monte Carlo, displaying drastic improvement in performance.


翻译:我们开发了用于拟合贝叶斯分层模型的采样算法,其计算复杂度随观测数量与模型参数数量呈线性增长。研究重点聚焦于在应用科学领域广泛使用的交叉随机效应模型与嵌套多水平模型。两类模型的后验依赖结构均呈现稀疏性:交叉随机效应模型类似于随机图结构,而嵌套多水平模型则具有树状结构。针对每类模型,我们在前人工作基础上构建了可扩展计算的框架。交叉模型的方法基于适当设计的压缩吉布斯采样器的扩展,我们引入了局部中心化思想;嵌套模型的方法则基于稀疏线性代数与数据增强技术。我们在简化设定下对提出算法进行了理论分析,包括与既有方法的比较以及基于随机图理论的平均情况分析。数值实验(包含两项具有挑战性的真实数据分析:选举结果预测与房地产价格预测)与现成的哈密顿蒙特卡洛方法相比,显示出计算性能的显著提升。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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