Variational Bayes (VB) is a popular and computationally efficient method to approximate the posterior distribution in Bayesian inference, especially when the exact posterior is analytically intractable and sampling-based approaches are computationally prohibitive. While VB often yields accurate point estimates, its uncertainty quantification (UQ) is known to be unreliable. For example, credible intervals derived from VB posteriors tend to exhibit undercoverage, failing to achieve nominal frequentist coverage probabilities. In this article, we address this challenge by proposing Trustworthy Variational Bayes (TVB), a method to recalibrate the UQ of broad classes of VB procedures. Our approach follows a bend-to-mend strategy: we intentionally misspecify the likelihood to correct VB's flawed UQ. In particular, we first relax VB by building on a recent fractional VB method, and then identify the optimal fraction parameter using conformal techniques such as sample splitting and bootstrapping. This yields recalibrated UQ for any given parameter of interest. On the theoretical front, we establish that the calibrated credible intervals achieve asymptotically correct frequentist coverage for a given parameter of interest; this, to the best of our knowledge, is the first such theoretical guarantee for VB. On the practical front, we introduce the "TVB table", which enables (1) massive parallelization and remains agnostic to the parameter of interest during its construction, and (2) efficient identification of the optimal fraction parameter for any specified parameter of interest. The proposed method is illustrated via Gaussian mixture models and Bayesian mixture linear regression models, and numerical experiments demonstrate that the TVB method outperforms standard VB and achieves normal frequentist coverage in finite samples. A real data application is also discussed.


翻译:变分贝叶斯(VB)是贝叶斯推断中一种流行且计算高效的后验分布近似方法,尤其适用于精确后验解析不可解且基于采样的方法计算成本过高的情况。虽然VB通常能产生准确的点估计,但其不确定性量化(UQ)已知是不可靠的。例如,从VB后验导出的可信区间往往表现出覆盖不足,无法达到名义频率覆盖概率。在本文中,我们通过提出可信变分贝叶斯(TVB)来解决这一挑战,该方法旨在重新校准广泛类别VB程序的不确定性量化。我们的方法遵循“弯曲以修复”策略:我们有意误设似然函数以纠正VB有缺陷的UQ。具体而言,我们首先基于最近提出的分数变分贝叶斯方法对VB进行松弛,然后利用保形技术(如样本分割和自助法)识别最优分数参数。这为任何给定的感兴趣参数提供了重新校准的UQ。在理论方面,我们证明了校准后的可信区间对于给定感兴趣参数能渐近地达到正确的频率覆盖;据我们所知,这是VB领域首个此类理论保证。在实践方面,我们引入了“TVB表”,它能够(1)实现大规模并行化,且在构建过程中对感兴趣参数保持不可知性,以及(2)高效识别任何指定感兴趣参数的最优分数参数。所提出的方法通过高斯混合模型和贝叶斯混合线性回归模型进行说明,数值实验表明TVB方法优于标准VB,并在有限样本中实现了正常的频率覆盖。文中还讨论了一个实际数据应用。

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