Rare event simulation and rare event probability estimation are important tasks within the analysis of systems subject to uncertainty and randomness. Simultaneously, accurately estimating rare event probabilities is an inherently difficult task that calls for dedicated tools and methods. One way to improve estimation efficiency on difficult rare event estimation problems is to leverage gradients of the computational model representing the system in consideration, e.g., to explore the rare event faster and more reliably. We present a novel approach for estimating rare event probabilities using such model gradients by drawing on a technique to generate samples from non-normalized posterior distributions in Bayesian inference - the Stein variational gradient descent. We propagate samples generated from a tractable input distribution towards a near-optimal rare event importance sampling distribution by exploiting a similarity of the latter with Bayesian posterior distributions. Sample propagation takes the shape of passing samples through a sequence of invertible transforms such that their densities can be tracked and used to construct an unbiased importance sampling estimate of the rare event probability - the Stein variational rare event estimator. We discuss settings and parametric choices of the algorithm and suggest a method for balancing convergence speed with stability by choosing the step width or base learning rate adaptively. We analyze the method's performance on several analytical test functions and two engineering examples in low to high stochastic dimensions ($d = 2 - 869$) and find that it consistently outperforms other state-of-the-art gradient-based rare event simulation methods.


翻译:稀有事件模拟及其概率估计是分析受不确定性和随机性影响系统的重要任务。与此同时,准确估计稀有事件概率本质上是一项艰巨的任务,需要专门的工具与方法。提升困难稀有事件估计问题中估计效率的一种途径是利用表征所考虑系统的计算模型的梯度,例如,以更快、更可靠地探索稀有事件。我们提出一种利用此类模型梯度估计稀有事件概率的新方法,该方法借鉴了贝叶斯推断中从非归一化后验分布生成样本的技术——Stein变分梯度下降。通过挖掘稀有事件重要采样分布与贝叶斯后验分布之间的相似性,我们将从易处理输入分布生成的样本向近似最优的稀有事件重要采样分布传播。样本传播采用通过一系列可逆变换传递样本的形式,从而可追踪其密度,并用于构建稀有事件概率的无偏重要采样估计——即Stein变分稀有事件估计量。我们讨论了该算法的参数设置与选择,并提出一种通过自适应选择步长或基学习率来平衡收敛速度与稳定性的方法。我们在低维至高维随机维度($d = 2 - 869$)下,通过多个分析测试函数及两个工程实例分析了该方法的表现,发现其始终优于其他最先进的基于梯度的稀有事件模拟方法。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月29日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月28日
Arxiv
18+阅读 · 2022年11月21日
Efficiently Embedding Dynamic Knowledge Graphs
Arxiv
14+阅读 · 2019年10月15日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
Arxiv
29+阅读 · 2018年4月6日
Arxiv
22+阅读 · 2018年2月14日
Arxiv
29+阅读 · 2017年12月6日
VIP会员
最新内容
综述 | OPSD:大语言模型的在线策略自蒸馏
专知会员服务
2+阅读 · 6月1日
帕兰蒂尔Maven:军事人工智能的新纪元
专知会员服务
7+阅读 · 6月1日
超越网格:作战环境对炮兵的影响
专知会员服务
3+阅读 · 5月31日
BES:让语言模型通过双向进化搜索自我改进
专知会员服务
6+阅读 · 5月30日
以色列-美国-伊朗战争中的无人机:关键要点
专知会员服务
7+阅读 · 5月30日
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关论文
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月29日
Arxiv
0+阅读 · 2023年9月28日
Arxiv
18+阅读 · 2022年11月21日
Efficiently Embedding Dynamic Knowledge Graphs
Arxiv
14+阅读 · 2019年10月15日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
Arxiv
29+阅读 · 2018年4月6日
Arxiv
22+阅读 · 2018年2月14日
Arxiv
29+阅读 · 2017年12月6日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员