Uncertainty quantification (UQ) for adaptively collected data, such as that coming from adaptive experiments, bandits, or reinforcement learning, is necessary for critical elements of data collection such as ensuring safety and conducting after-study inference. The data's adaptivity creates significant challenges for frequentist UQ, yet Bayesian UQ remains the same as if the data were independent and identically distributed (i.i.d.), making it an appealing and commonly used approach. Bayesian UQ requires the (correct) specification of a prior distribution while frequentist UQ does not, but for i.i.d. data the celebrated Bernstein-von Mises theorem shows that as the sample size grows, the prior 'washes out' and Bayesian UQ becomes frequentist-valid, implying that the choice of prior need not be a major impediment to Bayesian UQ as it makes no difference asymptotically. This paper for the first time extends the Bernstein-von Mises theorem to adaptively collected data, proving asymptotic equivalence between Bayesian UQ and Wald-type frequentist UQ in this challenging setting. Our result showing this asymptotic agreement does not require the standard stability condition required by works studying validity of Wald-type frequentist UQ; in cases where stability is satisfied, our results combined with these prior studies of frequentist UQ imply frequentist validity of Bayesian UQ. Counterintuitively however, they also provide a negative result that Bayesian UQ is not asymptotically frequentist valid when stability fails, despite the fact that the prior washes out and Bayesian UQ asymptotically matches standard Wald-type frequentist UQ. We empirically validate our theory (positive and negative) via a range of simulations.


翻译:对自适应收集数据(例如来自自适应实验、多臂赌博机或强化学习的数据)进行不确定性量化,对于数据收集的关键环节(如确保安全性和开展事后推断)至关重要。数据的自适应性给频率学派不确定性量化带来了重大挑战,而贝叶斯不确定性量化则保持与数据独立同分布时相同的形式,这使其成为一种具有吸引力且广泛使用的方法。贝叶斯不确定性量化需要(正确)指定先验分布,而频率学派方法则不需要;但对于独立同分布数据,著名的Bernstein-von Mises定理表明,随着样本量增加,先验分布的影响会逐渐'消退',贝叶斯不确定性量化将具备频率学派有效性,这意味着先验选择不应成为贝叶斯不确定性量化的主要障碍,因为其渐近影响可忽略。本文首次将Bernstein-von Mises定理扩展至自适应收集数据,证明了在这一挑战性场景下贝叶斯不确定性量化与Wald型频率学派不确定性量化的渐近等价性。我们展示该渐近一致性的结果无需以往研究Wald型频率学派有效性所需的标准稳定性条件;在满足稳定性的情况下,本研究结果与现有频率学派不确定性量化研究相结合,可推导出贝叶斯不确定性量化的频率学派有效性。然而反直觉的是,研究同时给出了否定性结论:当稳定性条件不满足时,尽管先验影响已消退且贝叶斯不确定性量化渐近匹配标准Wald型频率学派方法,贝叶斯不确定性量化仍不具备渐近频率学派有效性。我们通过一系列仿真实验对理论(肯定性与否定性结论)进行了实证验证。

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