We explore the efficient estimation of statistical quantities, particularly rare event probabilities, for stochastic reaction networks. To this end, we propose a novel importance sampling (IS) approach to improve the efficiency of Monte Carlo (MC) estimators when based on an approximate tau-leap scheme. The crucial step in IS is choosing an appropriate change of measure for achieving substantial variance reduction. Based on an original connection between finding the optimal IS parameters within a class of probability measures and a stochastic optimal control (SOC) formulation, we propose an automated approach to obtain an efficient path-dependent measure change. The optimal IS parameters are obtained by solving a variance minimization problem. We derive an associated backward equation solved by these optimal parameters. Given the challenge of analytically solving this backward equation, we propose a numerical dynamic programming algorithm to approximate the optimal control parameters. In the one-dimensional case, our numerical results show that the variance of our proposed estimator decays at a rate of $\mathcal{O}(\Delta t)$ for a step size of $\Delta t$, compared to $\mathcal{O}(1)$ for a standard MC estimator. For a given prescribed error tolerance, $\text{TOL}$, this implies an improvement in the computational complexity to become $\mathcal{O}(\text{TOL}^{-2})$ instead of $\mathcal{O}(\text{TOL}^{-3})$ when using a standard MC estimator. To mitigate the curse of dimensionality issue caused by solving the backward equation in the multi-dimensional case, we propose an alternative learning-based method that approximates the value function using a neural network, the parameters of which are determined via a stochastic optimization algorithm. Our numerical experiments demonstrate that our learning-based IS approach substantially reduces the variance of the MC estimator.


翻译:我们探索对统计量的高效估计,特别是稀有事件概率,用于{随机反应网络。为此,我们提出一种新的重要抽样(IS)方法,以提高基于近似 tau-leap 的 Monte Car(MC) 估测器的效率。 IS的关键步骤是选择适当的度量变化, 以大幅减少差异。 根据在概率计量类别中找到最佳的IS参数和随机最佳控制(SOC)配方之间的原始关联, 我们提议一种自动方法, 以获得高效的路径测量度变化。 最佳的IS参数是通过解决差异最小化问题获得的。 我们得出一个相关的后方方方方方程式。 鉴于分析解决这一后方方方程式的挑战, 我们提出一个数字动态程序算, 以最优化控制参数值来选择一个基于$mathcal{O} (Delta mology) 标准值, 以美元为基础, 以美元- dalx=x=xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxal_oal_ a deal modeal max a demodeal modeal max.

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