統計モデリング概論 DSHC 2024

1. 導入
2. 直線回帰、確率分布、擬似乱数生成
3. 尤度、最尤推定
4. 一般化線形モデル(GLM)
5. 個体差、一般化線形混合モデル(GLMM)
6. ベイズの定理、事後分布、MCMC
7. StanでGLM
8. 階層ベイズモデル(HBM)

ちょっとずつ線形モデルを発展させていく

線形モデル LM (単純な直線あてはめ)

    ↓ いろんな確率分布を扱いたい

一般化線形モデル GLM

    ↓ 個体差などの変量効果を扱いたい

一般化線形混合モデル GLMM

    ↓ もっと自由なモデリングを！

階層ベイズモデル HBM

データ解析のための統計モデリング入門 久保拓弥 2012 より改変

直線あてはめ: 統計モデルの出発点

• 身長が高いほど体重も重い。いい感じ。

(説明のために作った架空のデータ。今後もほぼそうです)

回帰モデルの2段階

1. Define a family of models: だいたいどんな形か、式をたてる

   • 直線: $y = a_1 + a_2 x$
   • 対数: $\log(y) = a_1 + a_2 x$
   • 二次曲線: $y = a_1 + a_2 x^2$

2. Generate a fitted model: データに合うようにパラメータを調整

   • $y = 3x + 7$
   • $y = 9x^2$

https://r4ds.had.co.nz/model-basics.html

たぶん身長が高いほど体重も重い

なんとなく $y = a x + b$ でいい線が引けそう
 

たぶん身長が高いほど体重も重い

なんとなく $y = a x + b$ でいい線が引けそう
じゃあ傾き a と切片 b、どう決める？

最小二乗法 (Ordinary Least Square: OLS)

回帰直線からの残差平方和(RSS)を最小化する。

残差平方和(RSS)が最小となるパラメータを探せ

ランダムに試してみて、上位のものを採用。
この程度の試行回数では足りなそう。

残差平方和(RSS)が最小となるパラメータを探せ

グリッドサーチ: パラメータ空間の一定範囲内を均等に試す。
さっきのランダムよりはちょっとマシか。

こうした最適化の手法はいろいろあるけど、ここでは扱わない。

これくらいなら一瞬で計算してもらえる

import statsmodels.formula.api as smf
model = smf.ols("weight ~ height", r.df_weight)
result = model.fit()
result.params

Intercept   -69.852224
height       78.634439
dtype: float64

🔰 直線あてはめしてみる

回帰に使えるPythonパッケージ2選:

statsmodels

統計モデリング寄り。今回はこちらを紹介。

Rに似た書き方や統計量の計算などいろいろ楽。

scikit-learn

機械学習寄り

回帰以外のさまざまな手法も統一的な書き方で使える

🔰 2-distribution.ipynb をJupyterで開き、順々に実行してみよう。

☕️ 休憩 + 質疑応答

何でもかんでも直線あてはめではよろしくない

• 観察データは常に正の値なのに予測が負に突入してない？
• 縦軸は整数。しかものばらつきが横軸に応じて変化？

何でもかんでも直線あてはめではよろしくない

• 観察データは常に正の値なのに予測が負に突入してない？
• 縦軸は整数。しかものばらつきが横軸に応じて変化？
• データに合わせた統計モデルを使うとマシ

ちょっとずつ線形モデルを発展させていく

線形モデル LM (単純な直線あてはめ)

    ↓ いろんな確率分布を扱いたい

一般化線形モデル GLM

    ↓ 個体差などの変量効果を扱いたい

一般化線形混合モデル GLMM

    ↓ もっと自由なモデリングを！

階層ベイズモデル HBM

データ解析のための統計モデリング入門 久保拓弥 2012 より改変

確率分布

発生する事象(値)と頻度の関係。

手元のデータを数えて作るのが経験分布
e.g., サイコロを12回投げた結果、学生1000人の身長

一方、少数のパラメータと数式で作るのが理論分布。
(こちらを単に「確率分布」と呼ぶことが多い印象）

確率変数$X$はパラメータ$\theta$の確率分布$f$に従う…?

$X \sim f(\theta)$

e.g.,
コインを3枚投げたうち表の出る枚数 $X$ は二項分布に従う。
$X \sim \text{Binomial}(n = 3, p = 0.5)$

一緒に実験してみよう。

試行を繰り返して記録してみる

コインを3枚投げたうち表の出た枚数 $X$

試行1: 表 裏 表 → $X = 2$
試行2: 裏 裏 裏 → $X = 0$
試行3: 表 裏 裏 → $X = 1$ 続けて $2, 1, 3, 0, 2, \ldots$

コイントスしなくても $X$ らしきものを生成できる

• コインを3枚投げたうち表の出る枚数 $X$
• $n = 3, p = 0.5$ の二項分布からサンプルする乱数 $X$

$X \sim \text{Binomial}(n = 3, p = 0.5)$

   ↓ サンプル

{2, 0, 1, 2, 1, 3, 0, 2, …}

これらはとてもよく似ているので
「コインをn枚投げたうち表の出る枚数は二項分布に従う」
みたいな言い方をする。逆に言うと
「二項分布とはn回試行のうちの成功回数を確率変数とする分布」
のように理解できる。

統計モデリングの一環とも捉えられる

コイン3枚投げを繰り返して得たデータ {2, 0, 1, 2, 1, 3, 0, 2, …}

   ↓ たった2つのパラメータで記述。情報を圧縮。

$n = 3, p = 0.5$ の二項分布で説明・再現できるぞ

こういうふうに現象と対応した確率分布、ほかにもある？

有名な確率分布、それに「従う」もの

離散一様分布

コインの表裏、サイコロの出目1–6

負の二項分布 (幾何分布 if n = 1)

成功率pの試行がn回成功するまでの失敗回数

二項分布

成功率p、試行回数nのうちの成功回数

ポアソン分布

単位時間あたり平均$\lambda$回起こる事象の発生回数

ガンマ分布 (指数分布 if k = 1)

ポアソン過程でk回起こるまでの待ち時間

正規分布

確率変数の和、平均値など。

離散一様分布

同じ確率で起こるn通りの事象のうちXが起こる確率

e.g., コインの表裏、サイコロの出目1–6

🔰 一様分布になりそうな例を考えてみよう

幾何分布 $~\text{Geom}(p)$

成功率pの試行が初めて成功するまでの失敗回数

e.g., コイントスで表が出るまでに何回裏が出るか

\[ \Pr(X = k \mid p) = p (1 - p)^k \]

「初めて成功するまでの試行回数」とする定義もある。

🔰 幾何分布になりそうな例を考えてみよう

負の二項分布 $~\text{NB}(n, p)$

成功率pの試行がn回成功するまでの失敗回数X。 n = 1 のとき幾何分布と一致。

\[ \Pr(X = k \mid n,~p) = \binom {n + k - 1} k p^n (1 - p)^k \]

失敗回数ではなく試行回数を変数とする定義もある。

🔰 負の二項分布になりそうな例を考えてみよう

二項分布 $~\text{Binomial}(n,~p)$

確率$p$で当たるクジを$n$回引いてX回当たる確率。平均は$np$。

\[ \Pr(X = k \mid n,~p) = \binom n k p^k (1 - p)^{n - k} \]

🔰 二項分布になりそうな例を考えてみよう

ポアソン分布 $~\text{Poisson}(\lambda)$

平均$\lambda$で単位時間(空間)あたりに発生する事象の回数。

e.g., 1時間あたりのメッセージ受信件数、メッシュ区画内の生物個体数

\[ \Pr(X = k \mid \lambda) = \frac {\lambda^k e^{-\lambda}} {k!} \]

二項分布の極限 $(\lambda = np;~n \to \infty;~p \to 0)$。
めったに起きないことを何回も試行するような感じ。

指数分布 $~\text{Exp}(\lambda)$

ポアソン過程の事象の発生間隔。平均は $1 / \lambda$ 。

e.g., メッセージの受信間隔、道路沿いに落ちてる手袋の間隔

\[ \Pr(x \mid \lambda) = \lambda e^{-\lambda x} \]

幾何分布の連続値版。

🔰 ポアソン分布・指数分布になりそうな例を考えてみよう

ガンマ分布 $~\text{Gamma}(k,~\lambda)$

ポアソン過程の事象k回発生までの待ち時間

e.g., メッセージを2つ受信するまでの待ち時間

\[ \Pr(x \mid k,~\lambda) = \frac {\lambda^k x^{k - 1} e^{-\lambda x}} {\Gamma(k)} \]

指数分布をkのぶん右に膨らませた感じ。
shapeパラメータ $k = 1$ のとき指数分布と一致。

正規分布 $~\mathcal{N}(\mu,~\sigma)$

平均 $\mu$、標準偏差 $\sigma$ の美しい分布。よく登場する。
e.g., $\mu = 50, ~\sigma = 10$ (濃い灰色にデータの95%, 99%が含まれる):

\[ \Pr(x \mid \mu,~\sigma) = \frac 1 {\sqrt{2 \pi \sigma^2}} \exp \left(\frac {-(x - \mu)^2} {2\sigma^2} \right) \]

正規分布に近づくものがいろいろある

標本平均の反復(中心極限定理); e.g., 一様分布 [0, 100) から40サンプル

大きい$n$の二項分布

正規分布に近づくものがいろいろある

大きい$\lambda$のポアソン分布

平均値固定なら$k$が大きくなるほど左右対称に尖るガンマ分布

有名な確率分布対応関係ふりかえり

離散一様分布

コインの表裏、サイコロの出目1–6

負の二項分布 (幾何分布 if n = 1)

成功率pの試行がn回成功するまでの失敗回数

二項分布

成功率p、試行回数nのうちの成功回数

ポアソン分布

単位時間あたり平均$\lambda$回起こる事象の発生回数

ガンマ分布 (指数分布 if k = 1)

ポアソン過程でk回起こるまでの待ち時間

正規分布

確率変数の和、平均値。使い勝手が良く、よく登場する。

現実には、確率分布に「従わない」ことが多い

植物100個体から8個ずつ種子を取って植えたら全体で半分ちょい発芽。
親1個体あたりの生存数はn=8の二項分布になるはずだけど、
極端な値(全部死亡、全部生存)が多かった。

「それはなぜ？」と考えて要因を探るのも統計モデリングの仕事。
「普通はこれに従うはず」を理解してこそできる思考。

疑似乱数生成器 Pseudo Random Number Generator

コンピューター上でランダムっぽい数値を出力する装置。
実際には決定論的に計算されているので、
シード(出発点)と呼び出し回数が同じなら出る数も同じになる。

import numpy as np
rng = np.random.default_rng(seed=42)  # initialize
rng.integers(1, 6, 4)
# array([1, 4, 4, 3])
rng.integers(1, 6, 4)
# array([3, 5, 1, 4])
rng = np.random.default_rng(seed=42)  # re-initialize
rng.integers(1, 6, 8)
# array([1, 4, 4, 3, 3, 5, 1, 4])

シードに適当な固定値を与えておくことで再現性を保てる。
ただし「このシードじゃないと良い結果が出ない」はダメ。

さまざまな「分布に従う」乱数を生成することもできる。

いろんな乱数を生成・可視化して感覚を掴もう

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns

rng = np.random.default_rng(seed=24601)  # Random Number Generator

x = rng.integers(1, 6, 100)
# x = rng.binomial(3, 0.5, 100)
# x = rng.poisson(3, 100)
# x = rng.normal(50, 10, 100)

print(x)
# sns.histplot(x)   # for continuous values
sns.histplot(x=x, discrete=True)

🔰 2-distribution.ipynb をJupyterで開き、順々に実行してみよう。

☕️ 休憩 + 質疑応答

本講義のお品書き

久保先生の"緑本"こと
「データ解析のための統計モデリング入門」
をベースに回帰分析の概要を紹介。

1. イントロ
2. 統計モデルの基本
   • 直線回帰
   • 確率変数・確率分布 👈 ここまでやった
   • 尤度・最尤推定
3. 一般化線形モデル、混合モデル
4. ベイズ統計、階層ベイズモデル

回帰のキモは線ではなく分布

参考文献

• データ解析のための統計モデリング入門 久保拓弥 2012
• StanとRでベイズ統計モデリング 松浦健太郎 2016
• RとStanではじめる ベイズ統計モデリングによるデータ分析入門 馬場真哉 2019
• データ分析のための数理モデル入門 江崎貴裕 2020
• 分析者のためのデータ解釈学入門 江崎貴裕 2020
• 統計学を哲学する 大塚淳 2020
• 「進化学実習2024」 東北大学 理学部生物学科 (2024-04)
• 「Rを用いたデータ解析の基礎と応用」 石川由希 2023 名古屋大学