Métodos alternativos de inferência para modelos psicométricos de variáveis latentes de alta dimensão

dc.contributor.advisor1Cúri, Mariana
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7025653928429545
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-7651-1064
dc.contributor.authorBarros, Flavio Margarito Martins de
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/1316455783756401
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-7784-5050
dc.contributor.refereeCúri, Mariana
dc.contributor.refereeBorgatto, Adriano Ferreti
dc.contributor.refereeGuzmán, Jorge Luis Bazán
dc.contributor.refereeMartinez, Raydonal Ospina
dc.contributor.refereeOliveira, Ricardo Puziol de
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7025653928429545
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/0409933387817596
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/8040998023074358
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/6357960802605841
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/8509404558611596
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-7651-1064
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0001-6280-2525
dc.date.accessioned2026-11-10T19:31:06Z
dc.date.issued2026-09-04
dc.description.abstractCognitive diagnostic models (CDMs), such as DINA and DINO, classify respondents according to multiple discrete latent attributes, providing interpretable diagnostic feedback. This interpretability comes at a computational cost: classical estimation by marginal maximum likelihood with the EM algorithm requires a sum over the 2^K latent profiles, which grows exponentially with the number of attributes K and makes inference impractical precisely in the high-dimensional settings where diagnosis would be most valuable. This thesis develops and evaluates scalable variational inference methods, based on automatic-differentiation optimisation, for the DINA and DINO models in high dimension, while preserving the psychometric structure of these models: the Q matrix, the ideal response function, the interpretable guessing gj and slipping sj item parameters, and the item-level monotonicity constraint gj + sj < 1. Two methodological families are proposed. The first is a relaxed, amortised variational autoencoder (VAE), in which a shared inference network maps the response vector to posterior mastery probabilities, and a structured decoder implements the DINA or DINO response function in differentiable form. The second is a local, non-amortised black-box variational inference (BBVI), with per-respondent variational parameters, considered in two variants: a score-function (REINFORCE) variant, which preserves binary samples, and a continuous-relaxation (Binary-Concrete) variant. The differentiable decoders are built from the product t-norm, for the conjunctive DINA rule, and the probabilistic t-conorm, for the disjunctive DINO rule. Replacing the categorical posterior over 2^K profiles with K Bernoulli factors per respondent, together with stochastic gradient estimation, avoids explicit enumeration and enables estimation in dimensions where enumeration is impractical. The methods are evaluated through simulation studies that vary the numbers of respondents, items and attributes, including high-dimensional and stress scenarios, assessing the recovery of item parameters and latent attributes, the variability across replications, and the computational time; a practical comparison with classical estimators implemented in R packages, at feasible dimensions, is also included. The results show that item-parameter recovery is strong in the evaluated scenarios with more items per attribute and that marginal attribute accuracy remains high, although full-profile recovery decays with K. Among the BBVI variants, the relaxed one shows shorter runtime and lower dispersion across replications in the evaluated configurations, whereas the score-function one avoids the continuous-relaxation bias at the cost of higher variance; the VAE, in turn, amortises inference for new respondents. The two families prove to be complementary: the work preserves the interpretability of CDMs while enabling scalable inference through variational approximations, automatic differentiation and accelerated computation.eng
dc.description.resumoOs modelos de diagnóstico cognitivo (CDM), como o DINA e o DINO, classificam respondentes segundo múltiplos atributos latentes discretos, oferecendo uma devolutiva diagnóstica interpretável. Essa interpretabilidade tem, contudo, um custo computacional: a estimação clássica por máxima verossimilhança marginal e pelo algoritmo EM exige uma soma sobre os 2^K perfis latentes, o que cresce exponencialmente com o número de atributos K e torna a inferência impraticável justamente nos cenários de maior dimensão, nos quais o diagnóstico seria mais valioso. Esta tese desenvolve e avalia métodos de inferência variacional escaláveis, baseados em otimização por diferenciação automática, para os modelos DINA e DINO em alta dimensionalidade, preservando a estrutura psicométrica desses modelos: a matriz Q, a função de resposta ideal, os parâmetros interpretáveis de acerto ao acaso gj e deslize sj e a restrição de monotonicidade gj + sj < 1. São propostas duas famílias metodológicas. A primeira é um autoencoder variacional (VAE) relaxado e amortizado, no qual uma rede de inferência compartilhada mapeia o vetor de respostas em probabilidades a posteriori de domínio, e um decoder estruturado implementa a função de resposta do DINA ou do DINO em forma diferenciável. A segunda é uma inferência variacional black-box (BBVI) local, não amortizada, com parâmetros variacionais por respondente, considerada em duas variantes: uma por função-escore (REINFORCE), que preserva amostras binárias, e outra por relaxação contínua (Binary-Concrete). Os decoders diferenciáveis são construídos a partir da t-norma produto, para a regra conjuntiva do DINA, e da t-conorma probabilística, para a regra disjuntiva do DINO. A substituição da distribuição a posteriori categórica sobre 2^K perfis por K fatores de Bernoulli por respondente, combinada com a estimação estocástica dos gradientes, dispensa a enumeração explícita e viabiliza a estimação em dimensões nas quais ela é impraticável. Os métodos são avaliados por estudos de simulação que variam o número de respondentes, itens e atributos, incluindo cenários de alta dimensão e um cenário de estresse, considerando a recuperação dos parâmetros de item e dos atributos latentes, a variabilidade entre réplicas e o tempo computacional; inclui-se ainda uma comparação prática com estimadores clássicos implementados em pacotes R, em dimensões factíveis. Os resultados mostram que a recuperação dos parâmetros de item é forte nos cenários avaliados com maior cobertura de itens por atributo e que a acurácia marginal dos atributos permanece alta, embora a recuperação do perfil completo decaia com K. Entre as variantes da BBVI, a relaxada apresenta menor tempo de execução e menor dispersão entre réplicas nas configurações avaliadas, ao passo que a por função-escore evita o viés de relaxação contínua ao custo de maior variância; o VAE, por sua vez, amortiza a inferência para novos respondentes. As duas famílias mostram-se complementares: o trabalho preserva a interpretabilidade dos CDMs e, ao mesmo tempo, viabiliza a inferência escalável por meio de aproximações variacionais, diferenciação automática e computação acelerada.por
dc.description.sponsorshipOutra
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24944
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma Interinstitucional de Pós-Graduação em Estatística - PIPGEs
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
dc.subjectModelos de diagnóstico cognitivopor
dc.subjectInferência variacionalpor
dc.subjectAutoencoder variacionalpor
dc.subjectDINApor
dc.subjectDiferenciação automáticapor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::PROBABILIDADE E ESTATISTICA
dc.subject.ods4. Educação de Qualidade
dc.titleMétodos alternativos de inferência para modelos psicométricos de variáveis latentes de alta dimensãopor
dc.title.alternativeAlternative inferential methods for high-dimensional latent variable psychometric modelseng
dc.typeTese

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