R语言nlme、nlmer、lme4用(非)线性混合模型non-linear mixed model分析藻类数据实例(下)

简介: R语言nlme、nlmer、lme4用(非)线性混合模型non-linear mixed model分析藻类数据实例

R语言nlme、nlmer、lme4用(非)线性混合模型non-linear mixed model分析藻类数据实例(上):https://developer.aliyun.com/article/1496401


右侧渐近线中的方差估计值是非零的。

加入随机效应后,参数根本就没有什么变化。

最大的比例差异是3.1%(在比例参数中)。

nlmefit2 <- update(list(asyR+xmd+scal+asp ~1),

 start )

我们可以通过AIC或似然比检验来比较模型

AICtab(nlmefit1,nlmefit2,weights=TRUE)

anova(nlmefit1,nlmefit2)

可以做一个F测试而不是 LRT(即考虑到有限大小的修正)。

pchisq(iff,df=2,lower.tail=FALSE)

##分母非常大的F检验。

pf(diff/2,df1=2,df2=1000000,lower.tail=FALSE)

我们不知道真正相关的df,但上面的总结表明df是40。


nlmer


我想现在可以为nlmer得到正确的模型规范,但我找不到一个方便的语法来进行固定效应建模(即在这种情况下允许一些参数因组而异)--当我构建了正确的语法,nlmer无法得到答案。

基本的RE模型(没有群体效应)运行良好。

nlmer(

 X ~ SSfpl(Day, asy, as, x, s) ~

        asy|Indi,)

根据我的理解,人们只需要构建自己的函数来封装固定效应结构;为了与nlmer一起使用,该函数还需要计算相对于固定效应参数的梯度。这有点麻烦,但可以通过修改派生函数生成的函数,使之稍微自动化。

构建虚拟变量:

mm <- model.matrix(~Group,data=d)

grp2 <- mm\[,2\]

构建一个函数来评估预测值及其梯度;分组结构是硬编码的。

deriv(~A+((B0+B1\*grp2+B2\*grp3-A)/(1+exp((x-xmid)/scale)

通过插入与传递给函数的参数名称相匹配的行来查看所产生的函数,并将这些参数名称分配给梯度矩阵。

L1 <- grep("^ +\\\.value +<-")

L2 <- grep("^ +attr\\\(\\\.value",)

eval(parse(text))

尝试一下拟合:

nlmer(
  X ~ fpl(Day, asym, as, asymp, asR3, xmi, sca) ~
         as|Indi,
     start =  list(nlpars)),data=d)

失败了(但我认为这是由于nlmer本身造成的,而不是设置有什么根本性的问题)。为了确定,我应该按照同样的思路生成一个更大的人工数据集,看看我是否能让它工作起来。

现在我们可以用稳定版(lme4.0)得到一个答案。

结果不理想

fixef(nlmerfit2)

range(predict(nlmerfit2))

我不能确定,在nlmer中是否有更简单的方法来做固定效果。


AD模型生成器


我们还可以使用AD模型生成器来解决这个问题。它可以处理更复杂的模型,比如拟合更多参数的群体效应。

部分原因是我对ADMB的熟悉程度较低,这有点费劲,最后我通过循序渐进的步骤才成功。


最小的例子

首先尝试没有随机效应、分组变量等。(即等同于上面的nls拟合)。)

##设置数据:调整名称,等等
d0 <- c(list(nobs=nrow(d)),as.list(d0))
##起始值:调整名称,增加数值
names(svec3) <- gsub("\\\.","",names(svec3))  ## 移除点
svec3$asympR <- 0.6 ## 单一值
## 运行 
do_admb("algae0",
        data,
        params,
        run.opts)

结果不错


固定效应模型


现在尝试用固定效应分组,使用上面构建的虚拟变量(也可以使用if语句,或者用R[Group[i]]的for循环中的R值向量,或者(最佳选择)为R传递一个模型矩阵...)。我们必须使用elem_div而不是/来对两个向量进行元素除法。

model1 <- "

参数部分

  向量 pred(1,nobs) // 预测值

  向量Rval(1,nobs) //预测值


过程部分

  pred = as+elem(Rval-asy,1.0+exp(-(Day-xmid)/scal)

"

试着用模型矩阵来代替它。

model1B <- "

参数部分

  向量 pred(1,nobs) // 预测值

  向量Rval(1,nobs) //预测值


过程部分

  pred = asym+ele(Rv-asy,1.0+exp(-(Da-xmi)/sc)) 。

"

当然,在参数相同的情况下,也可以工作。


随机效应


现在添加随机效应。回归函数并没有完全实现随机效应模型(尽管这应该在即将到来的版本中被修复),所以我们用公式减去(n/2 log({RSS}/n)),其中RSS是残差平方和。

model2 <- "

参数部分

  向量 pred(1,nobs) // 预测值

  向量Rval(1,nobs) //预测值


过程部分

  pred = asym+elem

  f = 0.5\*no\*log(norm2(X-pr)/n)+norm2(R)。

"

由于ADMB不处理稀疏矩阵,也不惩罚循环,如果将随机效应实现为(i=1; i<=nobs; i++) Rval[i] += Rsigma*Ru[Group[i]],效率会略高,但我是懒人/我喜欢矩阵表示的紧凑性和可扩展性.

现在我们终于可以测试R以外的参数的固定效应差异了。

model3 <- "

参数部分

  向量 prd(1,nobs) // 预测值

  向量Rl(1,nobs) // 预测值

  向量 scalal(1,nobs)

  向量xmal(1,nobs)

  sdror opr(1,nobs) //输出预测值


程序部分

  Rval = XR\*Rve+Rsma\*(Z*Ru)。

  xmval = Xd*xdvec;....

  f = 0.5\*nobs\*log(norm2(X-pred)/nobs)+norm2(Ru)

"

结果:

summary(admbfit3)

有一个非常大的AIC差异。如上文所示,对nlme拟合的似然比F测试是作为一种练习......

对于该图,最好是按组指定参数重新进行拟合,而不是按基线+对比度进行拟合。

fit3B <- do_admb(,
        data,
        params,
        re,
        run.opts=run.control)
plot2(list(cc),intercept=TRUE)

现在我们对标准化的问题很困扰,所以(经过一番折腾)我们可以在不同的面板上重新画出群体变化的参数。

诊断图

##放弃条件模式/样本-R估计值

diagplot1
%+% dp2

也许这暗示了两个实验组中更大的差异?

拟合与残差

diagplot2 %+% dp2

叠加预测(虚线):

g1 + geom_line

如果能生成平滑的预测曲线(即对中间的日值),那就更好了,但也更繁琐。


结论


  • 从参数估计中得出的主要结论是,第三组下降得更早一些(xmidvec更小),同时下降得更远(Rvec更低)。


似然分析

计算一个( sigma^2_R ) 似然函数的代码并不难,但运行起来有点麻烦:它很慢,而且计算在置信度下限附近的几个点上出现了非正-无限矩阵;我运行了另一组值,试图充分覆盖这个区域。

lapply(Rsigmavec,fitfun)

## 尝试填补漏洞

lapply(Rsigmavec2,fitfun)

带有插值样条的剖面图和似然比检验分界线。

在sigma^2_R 上的95%剖面置信区间是{0.0386,0.2169}。

我没有计算过,但转换后的剖面图(在对应于偏离度与最小偏离度的平方根偏差的 y )上,所以二次剖面将是一个对称的V)显示,二次近似对这种情况相当糟糕 ...

ggplot(sigma,sqrt(2*(NLL-min(NLL))+

 geom_point()

扩展


  • 更多地讨论分母df问题。参数引导法/MCMC?
  • 我们可以尝试在xmid和scale参数中加入随机效应。
  • 在组间或作为X的函数的方差(无论是残差还是个体间的方差)中可能有额外的模式。
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