Agent-Based Models (ABMs) are used in several fields to study the evolution of complex systems from micro-level assumptions. However, ABMs typically can not estimate agent-specific (or "micro") variables: this is a major limitation which prevents ABMs from harnessing micro-level data availability and which greatly limits their predictive power. In this paper, we propose a protocol to learn the latent micro-variables of an ABM from data. The first step of our protocol is to reduce an ABM to a probabilistic model, characterized by a computationally tractable likelihood. This reduction follows two general design principles: balance of stochasticity and data availability, and replacement of unobservable discrete choices with differentiable approximations. Then, our protocol proceeds by maximizing the likelihood of the latent variables via a gradient-based expectation maximization algorithm. We demonstrate our protocol by applying it to an ABM of the housing market, in which agents with different incomes bid higher prices to live in high-income neighborhoods. We demonstrate that the obtained model allows accurate estimates of the latent variables, while preserving the general behavior of the ABM. We also show that our estimates can be used for out-of-sample forecasting. Our protocol can be seen as an alternative to black-box data assimilation methods, that forces the modeler to lay bare the assumptions of the model, to think about the inferential process, and to spot potential identification problems.


翻译:在几个领域使用基于代理人的模型(ABMs)来研究从微观层面假设的复杂系统的演变情况。然而,反弹道导弹通常无法估计具体代理人(或“微”)变量:这是一个重大限制,使反弹道导弹无法利用微观一级的数据,从而极大地限制了其预测力。在本文中,我们提议了一个协议,从数据中学习反弹道导弹的潜在微变体。我们协议的第一步是将反弹道导弹降低为一种概率模型,以可计算的可能性为特征。这一削减遵循了两个一般设计原则:即平衡随机性和数据提供,以及用不同近似值替代不易观察的离散选择。然后,我们的协议通过基于梯度的预期最大化算法最大限度地增加潜在变量的可能性。我们通过将协议应用于住房市场的反弹道导弹,使不同收入模式的代理人能够以较高的价格居住在高收入社区。我们证明获得的模式可以准确估计潜在变量,同时保持反弹道导弹的一般模式行为,并用不同的近似近似近似近似近似近似近似的近似性选择。我们还表明,我们的数据估计可以用来在常规中,将我们的数据箱中进行简单的预测。

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