This paper investigates Monte Carlo methods to estimate probabilities of rare events associated with solutions to the $d$-dimensional McKean-Vlasov stochastic differential equation. The equation is usually approximated using a stochastic interacting $P$-particle system, a set of $P$ coupled $d$-dimensional stochastic differential equations (SDEs). Importance sampling (IS) is a common technique to reduce high relative variance of Monte Carlo estimators of rare event probabilities. In the SDE context, optimal measure change is derived using stochastic optimal control theory to minimize estimator variance, which when applied to stochastic particle systems yields a $P \times d$-dimensional partial differential control equation, which is cumbersome to solve. The work in (dos Reis et al., 2018) circumvented this problem by a decoupling approach, producing a $d$-dimensional control PDE. Based on the decoupling approach, we develop a computationally efficient double loop Monte Carlo (DLMC) estimator. We offer a systematic approach to our DLMC estimator by providing a comprehensive error and work analysis and formulating optimal computational complexity. Subsequently, we propose an adaptive DLMC method combined with IS to estimate rare event probabilities, significantly reducing relative variance and computational runtimes required to achieve a given relative tolerance compared with standard Monte Carlo estimators without IS. The proposed estimator has $\mathcal{O}(TOL^{-4})$ computational complexity with significantly reduced constant. Numerical experiments, which are performed on the Kuramoto model from statistical physics, show substantial computational gains achieved by our estimator.
翻译:本文调查了蒙特卡洛估算与 美元- 美元- 美元- 麦肯- 弗拉索夫 stochacistic 差异方程式解决方案相关的稀有事件的概率的方法。 方程式通常使用一套Stochactic 互动 $P$- 粒子系统( 一套美元和美元- 美元- 立方相交差异方程式( SDEs) 。 重要取样( IS) 是降低蒙特卡洛稀有事件概率估测器相对差异的常见技术。 在SDE背景下, 最佳计量变化是使用随机最佳控制理论来得出, 以尽量减少估测器差异。 当应用该理论时, 将产生一个 $P\ 美元- 美元- 美元- 元- 部分差异方程控制方程式( 一套 美元和 美元- 美元- 元- 立方平方程式 ), 将一个系统化的计算方法( ) 模拟货币- 数字- 数字- 数字- 数字- 计算模型( ) 显示一个系统化的计算方法, 显示一个比值- 货币- 货币- 货币- 货币- 系统化的精确- 系统化的计算方法, 显示一个比值- 数据- 系统化的计算方法, 显示一个比值- 数据- 数据- 数据- 数据- 系统- 系统化的计算方法, 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统化的计算方法, 系统- 系统化- 系统化- 计算方法显示到一个比值- 数据- 数据- 系统化- 系统化- 系统- 系统化- 计算- 系统- 系统- 系统- 计算- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 计算- 计算- 系统- 系统- 系统- 系统- 数据- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 系统- 计算