Jak poznáme, že je model dobrý?
Podkladové čtenářské materiály k přednášce
1 Co už s daty umíme udělat?
Při analýze dat už umíme propojit několik kroků: data prohlédnout, zobrazit, položit biologickou otázku, odhadnout model, interpretovat jeho výstup a zkontrolovat jeho předpoklady.
Jedna obhajitelná cesta je položit biologickou otázku, prohlédnout a zobrazit data, formulovat model, interpretovat jeho výstup a zkontrolovat residua. Jednotlivé kroky se mohou opakovat: diagnostikaSoubor grafických a numerických kontrol ověřujících, zda jsou splněny předpoklady modelu: linearita, normalita reziduí, homoskedasticita, absence vlivných bodů. nás například může vrátit k biologické otázce nebo k formulaci modelu. V této lekci známý postup použijeme na nový soubor dat a rozšíříme jej o porovnání několika modelůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test..
2 Výsledky učení
Po prostudování této lekce budete schopni:
- vypočítat koeficient determinace R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). (coefficient of determination) z celkového součtu čtverců a součtu čtverců residuíSoučet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem. a vysvětlit, co popisuje;
- vysvětlit, proč nejvyšší R² automaticky neznamená nejlepší model;
- rozlišit, jak R², adjustované R² (adjusted R-squared) a Akaikeho informační kritériumMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. (Akaike information criterion, AIC) zacházejí se shodou a složitostí, a používat AIC jen k relativnímu porovnání modelůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test.;
- sestavit malou sadu biologicky zdůvodněných kandidátních modelů se stejnou odezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. a stejnými pozorováními;
- obhájit volbu modelu pomocí biologické otázky, složitosti, diagnostikySoubor grafických a numerických kontrol ověřujících, zda jsou splněny předpoklady modelu: linearita, normalita reziduí, homoskedasticita, absence vlivných bodů. a interpretovatelnosti a pojmenovat její omezení.
3 Jeden řádek tabulky představuje jeden strom
Budeme pracovat s měřením tří druhů severoamerických jehličnanů. Každý řádek dat představuje jeden strom. Pro tuto lekci využijeme druh stromu, průměr kmene měřený ve výšce 1,3 m a výšku stromu. V minulé lekci výška stromu pomáhala odhadnout objem dřeva u jiných stromů; tady jde o jiné stromy a výška je naopak odezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y., kterou chceme popsat.
Soubor allometrie_stromu.csv je součástí materiálů lekce. Pro následující kód jej uložte do složky data ve svém projektu v R.
# Načteme výukovou tabulku stromů
data_stromy <-
read.csv(file = "data/allometrie_stromu.csv")
# Druh stromu převedeme na kategoriální proměnnou
data_stromy$druh_stromu <-
factor(x = data_stromy$druh_stromu)Tabulka obsahuje 63 stromů a 3 druhy. Než začneme modelovat, zkontrolujeme několik řádků, strukturu proměnnýchVlastnost zaznamenaná u pozorování, která může mezi pozorováními nabývat různých hodnot, například druh, délka nebo počet., chybějící hodnoty a zastoupení druhů.
# Prohlédneme první řádky proměnných použitých v modelu
head(
x = data_stromy[
,
c(
"druh_stromu",
"prumer_kmene_cm",
"vyska_stromu_m"
)
],
n = 6
) druh_stromu prumer_kmene_cm vyska_stromu_m
1 Pseudotsuga menziesii 54.61 27.04
2 Pseudotsuga menziesii 34.80 27.42
3 Pseudotsuga menziesii 24.89 21.23
4 Pseudotsuga menziesii 28.70 24.96
5 Pseudotsuga menziesii 34.80 29.99
6 Pseudotsuga menziesii 37.85 28.07
# Ověříme datové typy a počet chybějících hodnot
str(object = data_stromy)'data.frame': 63 obs. of 5 variables:
$ druh_stromu : Factor w/ 3 levels "Pinus monticola",..: 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 ...
$ prumer_kmene_cm : num 54.6 34.8 24.9 28.7 34.8 ...
$ vyska_stromu_m : num 27 27.4 21.2 25 30 ...
$ plocha_listu_m2 : num 338.49 122.16 3.96 86.35 63.35 ...
$ hmotnost_vetvi_kg: num 410.25 83.65 3.51 73.13 62.39 ...
colSums(x = is.na(data_stromy)) druh_stromu prumer_kmene_cm vyska_stromu_m plocha_listu_m2
0 0 0 0
hmotnost_vetvi_kg
0
# Zkontrolujeme počet stromů jednotlivých druhů
table(
data_stromy$druh_stromu,
useNA = "ifany"
)
Pinus monticola Pinus ponderosa Pseudotsuga menziesii
19 22 22
# Zkontrolujeme rozsahy průměru a výšky
range(
x = data_stromy$prumer_kmene_cm,
na.rm = TRUE
)[1] 4.83 73.66
range(
x = data_stromy$vyska_stromu_m,
na.rm = TRUE
)[1] 3.57 44.99
# Porovnáme rozsahy průměru kmene mezi druhy
tapply(
X = data_stromy$prumer_kmene_cm,
INDEX = data_stromy$druh_stromu,
FUN = range,
na.rm = TRUE
)$`Pinus monticola`
[1] 6.48 73.66
$`Pinus ponderosa`
[1] 4.83 70.61
$`Pseudotsuga menziesii`
[1] 5.33 69.85
Průměry kmenů sahají od 4,8 do 73,7 cm a výšky od 3,6 do 45,0 m. Rozsahy průměru kmene jednotlivých druhů se překrývají, takže druhy můžeme porovnávat alespoň v části společného rozsahu. Hodnoty jsou pro měřené stromy věrohodné; nevidíme záporné hodnoty ani zjevnou chybu jednotek.
4 Jak se výška mění s průměrem kmene?
Vztah dvou numerických proměnnýchProměnná, jejíž hodnoty jsou čísla se smysluplnou velikostí nebo rozdílem; může být diskrétní, například počet, nebo spojitá, například délka. zobrazíme pomocí bodového grafu (anglicky scatter plot)Graf vztahu dvou numerických proměnných, v němž každý bod představuje jedno pozorování a jeho dvě hodnoty určují polohu na osách.. Druh stromu rozlišuje barva i tvar bodu, ale každý bod stále představuje jeden konkrétní strom.
# Barvy a tvary druhů budeme používat stejně ve všech grafech
vec_barvy_druhu <-
c(
"Pinus monticola" = "#4E9A8A",
"Pinus ponderosa" = "#C2613A",
"Pseudotsuga menziesii" = "#2E6CA4"
)
vec_symboly_druhu <-
c(
"Pinus monticola" = 16,
"Pinus ponderosa" = 17,
"Pseudotsuga menziesii" = 15
)
# Zobrazíme vztah průměru kmene a výšky stromu
plot(
x = data_stromy$prumer_kmene_cm,
y = data_stromy$vyska_stromu_m,
col = vec_barvy_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
pch = vec_symboly_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
cex = 1.2,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
xlab = "Průměr kmene ve výšce 1,3 m (cm)",
ylab = "Výška stromu (m)"
)
legend(
x = "bottomright",
legend = names(vec_barvy_druhu),
col = vec_barvy_druhu,
pch = vec_symboly_druhu,
text.font = 3,
bty = "n"
)Výška se s rostoucím průměrem kmene většinou zvětšuje. Barvy druhů však v některých částech grafu leží v odlišných výškových pásmech, takže jedna společná přímka může přehlížet rozdíly mezi druhy.
5 Jak vztah popíšeme jedním lineárním modelemStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε).?
Jako první pokus použijeme lineární model, který výšku všech stromů popíše jednou společnou přímkou. OdezvouProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. je výška stromu a prediktoremProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x. je průměr kmene.
# Odhadneme jednu společnou přímku pro všechny stromy
mod_spolecny <-
lm(
formula = vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm,
data = data_stromy
)
# Přidáme odhadnutou přímku do grafu
plot(
x = data_stromy$prumer_kmene_cm,
y = data_stromy$vyska_stromu_m,
col = vec_barvy_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
pch = vec_symboly_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
cex = 1.2,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
xlab = "Průměr kmene ve výšce 1,3 m (cm)",
ylab = "Výška stromu (m)"
)
abline(
reg = mod_spolecny,
col = "#5D2890",
lwd = 3
)Tento model záměrně ignoruje druh stromu a popisuje všechny stromy jedinou přímkou.
6 Co už umíme přečíst ze summary()?
Výstup summary() obsahuje části, se kterými už umíme pracovat, i dva dosud nevysvětlené řádky. Prohlédněte si celý výpis a zkuste je rozlišit.
# Zobrazíme úplný souhrn odhadnutého modelu
summary(object = mod_spolecny)
Call:
lm(formula = vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm, data = data_stromy)
Residuals:
Min 1Q Median 3Q Max
-12.4226 -5.3191 0.7425 4.6637 10.5197
Coefficients:
Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)
(Intercept) 7.59674 1.47310 5.157 2.88e-06 ***
prumer_kmene_cm 0.51791 0.03647 14.201 < 2e-16 ***
---
Signif. codes: 0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
Residual standard error: 5.548 on 61 degrees of freedom
Multiple R-squared: 0.7678, Adjusted R-squared: 0.764
F-statistic: 201.7 on 1 and 61 DF, p-value: < 2.2e-16
Už umíme číst volání modelu, souhrn residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. a tabulku koeficientůČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y). s jejich nejistotouRozsah, v němž nevíme přesnou hodnotu parametru kvůli omezenému a variabilnímu vzorku; kvantifikuje se pomocí intervalů spolehlivosti nebo směrodatných chyb.. Novými otázkami zůstává význam řádků Multiple R-squared a Adjusted R-squared.
7 Co model přehlíží?
Z předchozích lekcí už známe residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ.: rozdíly mezi pozorovanými a modelem odhadnutými hodnotamiHodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ.. Vhodný model by v nich neměl zanechávat snadno rozpoznatelný systematický vzorec. Zde se proto neptáme, co residuum znamená, ale zda společná přímka přehlíží rozdíl mezi druhy.
# Zobrazíme residua a zachováme barvy a tvary druhů
plot(
x = fitted(object = mod_spolecny),
y = residuals(object = mod_spolecny),
col = vec_barvy_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
pch = vec_symboly_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
cex = 1.2,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
xlab = "Odhadnutá výška stromu (m)",
ylab = "Residuum (m)"
)
abline(
h = 0,
col = "#2E2E2E",
lty = 2
)# Porovnáme residua s očekáváním normálního rozdělení
qqnorm(
y = residuals(object = mod_spolecny),
pch = 19,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
main = "Q–Q graf residuí",
xlab = "Teoretické kvantily",
ylab = "Kvantily residuí (m)"
)
qqline(
y = residuals(object = mod_spolecny),
col = "#2E2E2E",
lwd = 2
)Residua druhu Pinus monticola leží převážně nad nulou; jejich průměr je +2,7 m. Společná přímka tedy výšku tohoto druhu soustavně podhodnocuje a výšku ostatních dvou druhů spíše nadhodnocuje (průměrná residua −0,9 a −1,4 m). Takový vzorec v residuích ukazuje, že model přehlíží rozdíl mezi druhy.
8 Je jeden model jedinou rozumnou možností?
Společná přímka odpovídá jedné biologické představě: stejně silné stromy mají podle modelu stejnou odhadnutou výškuHodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ. bez ohledu na druh. Pozorovaný graf a residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. ale připouštějí také rovnoběžné přímky jednotlivých druhů nebo přímky s rozdílnými sklonyParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů)..
9 Tři modely vyjadřují tři biologické představy
Každý kandidátní model vyjadřuje jinou představu o vztahu průměru kmene, druhu stromu a jeho výšky.
| Kandidát | Vzorec v R | Biologická představa |
|---|---|---|
| Společná přímka | vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm |
Všechny druhy sdílejí stejný interceptParametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y). i sklonParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů).. |
| Posun mezi druhy | vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm + druh_stromu |
Druhy mohou mít odlišnou výšku při stejném průměru, ale sdílejí sklon. |
| Různé sklony | vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm * druh_stromu |
Vztah mezi průměrem a výškou se může mezi druhy lišit. |
# Model 1: jedna společná přímka
mod_spolecny <-
lm(
formula = vyska_stromu_m ~ prumer_kmene_cm,
data = data_stromy
)
# Model 2: rovnoběžné přímky druhů
mod_aditivni <-
lm(
formula = vyska_stromu_m ~
prumer_kmene_cm +
druh_stromu,
data = data_stromy
)
# Model 3: druhově specifické sklony
mod_interakce <-
lm(
formula = vyska_stromu_m ~
prumer_kmene_cm *
druh_stromu,
data = data_stromy
)10 Který model prochází nejblíže pozorovaným stromům?
Podle obrázku procházejí pozorovaným bodům nejblíže přímky v panelu Různé sklony. Rozdíly mezi body a přímkami však chceme vyjádřit číslem, ne pouze odhadovat okem.
11 Jak poznáme, který model je lepší?
Při porovnání modelůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test. potřebujeme rozlišit několik druhů důkazů:
- jak těsně model odpovídá pozorovaným datům;
- kolik parametrůČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y). potřebuje;
- zda v residuíchRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. nezůstává systematický vzorec;
- zda odpovídá biologické otázce;
- zda jeho výsledek dokážeme smysluplně interpretovat.
Žádné jediné číslo neodpoví na všechny tyto otázky.
12 Co už víme o residuíchRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. a jejich čtvercích?
Když jsme poprvé hledali přímku, porovnávali jsme kandidáty pomocí součtu čtverců residuíSoučet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem.. V další lekci jsme stejnou veličinu označili anglickou zkratkou RSS (residual sum of squares) a použili ji při výpočtu reziduální směrodatné odchylkyOdhad typické velikosti residuí v jednotkách odezvy; popisuje rozptýlení pozorování kolem hodnot odhadnutých modelem.. Při porovnání jednoho společného průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). s několika skupinovými průměry jsme také viděli, že složitější model může RSS zmenšit.
RSS proto není nový pojem. V této lekci jej spojíme s druhým součtem čtverců, který popisuje rozdíly mezi pozorovanými výškami ještě před použitím prediktorůProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x..
Čím jsou residua kratší, tím menší jsou jejich čtverce i jejich součet. Menší RSS proto znamená těsnější shodu modelu s pozorovanými daty.
13 Je přímka lepší než předpověď průměremSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty).?
Než posoudíme odhadnutou přímku, potřebujeme jednoduchý výchozí způsob odhadu. Pokud bychom o jednotlivých stromech nevěděli nic dalšího, mohli bychom každému přiřadit průměrnou výšku. Tento průměrový model nám umožní popsat, jak moc se pozorované výšky liší ještě před použitím průměru kmene.
Následující výpočet používá šest skutečných stromů z datové tabulky. Malý výběr umožňuje vidět každý krok výpočtu. Hodnoty kandidátních modelů v dalších tabulkách vycházejí ze všech 63 stromů.
| Strom | Průměr kmene (cm) | Výška (m) |
|---|---|---|
| A | 54,61 | 27,04 |
| B | 43,69 | 31,83 |
| C | 22,35 | 19,39 |
| D | 20,83 | 23,34 |
| E | 11,94 | 5,85 |
| F | 73,66 | 44,64 |
14 Jak velké jsou rozdíly výšek před použitím prediktorůProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x.?
Průměrná výškaSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). šesti stromů je 25,35 m. Svislé úsečky ukazují odchylku každého pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. od tohoto průměru.
Kladné a záporné odchylky by se při prostém součtu vyrušily. Proto je umocníme na druhou a sečteme. Vznikne celkový součet čtverců (total sum of squares), tedy číselné vyjádření celkové variabilityObecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu. pozorovaných výšek kolem jejich průměru.
| Strom | Výška | Odchylka od průměru | Čtverec odchylky |
|---|---|---|---|
| A | 27,04 | 1,69 | 2,86 |
| B | 31,83 | 6,48 | 42,01 |
| C | 19,39 | -5,96 | 35,50 |
| D | 23,34 | -2,01 | 4,03 |
| E | 5,85 | -19,50 | 380,19 |
| F | 44,64 | 19,29 | 372,17 |
Celkový součet čtverců sčítá čtverce odchylek všech šesti stromů:
\[ \text{celkový součet čtverců} = \text{čtverec odchylky stromu A} + \cdots + \text{čtverec odchylky stromu F}. \]
Do vztahu dosadíme odchylky z tabulky, umocníme je a sečteme:
\[ \begin{align} \text{celkový součet čtverců} &= (\text{1,69})^2 + (\text{6,48})^2 + (\text{−5,96})^2 + (\text{−2,01})^2 + (\text{−19,50})^2 + (\text{19,29})^2 \\ &= \text{2,86} + \text{42,01} + \text{35,50} + \text{4,03} + \text{380,19} + \text{372,17} \\ &= \text{836,76}. \end{align} \]
Obecně označíme pozorovanou hodnotu \(y_i\), průměr všech pozorovaných hodnot \(\bar{y}\) a počet pozorování \(n\):
\[ SS_{\mathrm{total}} = \sum_{i=1}^{n} \left(y_i - \bar{y}\right)^2. \]
Symbol \(SS_{\mathrm{total}}\) označuje celkový součet čtverců. Každý člen \(y_i - \bar{y}\) je odchylka jedné pozorované výšky od průměrné výšky. Hodnota 836,76 m² popisuje celkovou čtvercovou odchylku šesti výšek od jejich průměru.
Největší příspěvek má strom E, protože má největší absolutní odchylku od průměru. Umocnění zachová příspěvky kladných i záporných odchylek a větší odchylky zvýrazní.
15 Kolik rozdílů zůstalo po odhadnutí přímky?
Místo průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). teď použijeme odhadnutou přímku. Každá úsečka vede od modelem odhadnuté výškyHodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ. k pozorované výšce stejného stromu. Její orientovaná délka je známé residuumRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ.:
\[ \text{residuum} = \text{pozorovaná výška} - \text{odhadnutá výška}. \]
Residuum nese znaménko: bod nad přímkou má kladné residuum, bod pod přímkou záporné. Absolutní hodnota residua udává délku svislé úsečky mezi bodem a přímkou. Čtverec residua znaménko odstraní a určuje příspěvek daného stromu k součtu čtverců residuí.
Čtverce residuí sečteme. Dostaneme již známý součet čtverců residuíSoučet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem. (residual sum of squares, RSS): kolik čtvercové odchylky zůstalo po odhadnutí modelu.
| Strom | Pozorovaná výška | Odhadnutá výška | Residuum | Absolutní hodnota | Čtverec residua |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 27,04 | 33,67 | -6,63 | 6,63 | 43,92 |
| B | 31,83 | 28,25 | 3,58 | 3,58 | 12,83 |
| C | 19,39 | 17,66 | 1,73 | 1,73 | 3,00 |
| D | 23,34 | 16,90 | 6,44 | 6,44 | 41,42 |
| E | 5,85 | 12,49 | -6,64 | 6,64 | 44,12 |
| F | 44,64 | 43,12 | 1,52 | 1,52 | 2,31 |
Součet čtverců residuí sčítá čtverce residuí všech šesti stromů:
\[ \text{součet čtverců residuí} = \text{čtverec residua stromu A} + \cdots + \text{čtverec residua stromu F}. \]
Do vztahu dosadíme residua z tabulky, umocníme je a sečteme:
\[ \begin{align} \text{součet čtverců residuí} &= (\text{−6,63})^2 + (\text{3,58})^2 + (\text{1,73})^2 + (\text{6,44})^2 + (\text{−6,64})^2 + (\text{1,52})^2 \\ &= \text{43,92} + \text{12,83} + \text{3,00} + \text{41,42} + \text{44,12} + \text{2,31} \\ &= \text{147,60}. \end{align} \]
Index \(i\) označuje pořadí pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných.. Residuum \(i\)-tého pozorování označíme jako \(e_i\):
\[ SS_{\mathrm{res}} = \sum_{i=1}^{n} e_i^2. \]
Symbol \(SS_{\mathrm{res}}\) označuje RSS. Jeho hodnota 147,60 m² je menší než celkový součet čtverců, protože přímka sleduje část rozdílů mezi výškami lépe než samotný průměr. Celkový součet čtverců a RSS jsou dvě stavební veličiny, které použijeme společně v následujícím výpočtu.
Číselně nejvyšší residuum má strom D: 6,44 m. Největší absolutní hodnotu residua má strom E: jeho residuum je −6,64 m, jeho absolutní hodnota je 6,64 m a čtverec residua je 44,12 m². Nejde o stejné stromy. Nejde o chybu: umocnění odstraní znaménko, takže příspěvek k RSS určuje velikost residua bez ohledu na to, zda je kladné, nebo záporné.
17 Dostaneme stejné R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). také ze summary()?
V malém příkladu jsme mohli rozepsat každý čtverec. Pro všech 63 stromů použijeme stejný výpočet, ale dosadíme už jen oba součty čtverců.
\[ R^2 = 1 - \frac{\text{1877,39}} {\text{8084,56}} = \text{0,768}. \]
Stejnou hodnotu vrátí také summary(mod_spolecny)$r.squared: 0,768. Výpis tedy nepřináší jinou definici; pouze za nás provede tentýž výpočet.
18 Co nám R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). říká — a co ne?
Pro všech 63 stromů je R² společné přímky 0,768. Model tedy ve stejných datech, na kterých byl odhadnut, zachycuje přibližně 76,8 % pozorované variabilityObecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu. výšky kolem jejího průměruSoučet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty)..
R² však neříká:
- že model správně předpověděl 76,8 % jednotlivých stromů;
- že model splňuje předpoklady;
- že vztah je příčinný;
- že model bude stejně dobrý pro nové stromy.
Obhajitelná je možnost B: R² vyjadřuje podíl zachycené variability odezvy v datech použitých k odhadu modelu.
19 Proč R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). po přidání členu neklesne?
Stejný výpočet R² můžeme použít pro všechny tři kandidáty na všech 63 stromech. Kandidátní modely jsou vnořené: složitější model vždy obsahuje všechny možnosti jednoduššího modelu a přidává další koeficientyČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y).. Při odhadu metodou nejmenších čtverců tedy může složitější model zopakovat jednodušší řešení, nebo součet čtverců residuí (RSS)Součet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem. ještě zmenšit.
| Kandidátní model | Počet koeficientů | Součet čtverců residuí (RSS) | R² |
|---|---|---|---|
| Společná přímka | 2 | 1877,4 | 0,768 |
| Posun mezi druhy | 4 | 1674,5 | 0,793 |
| Různé sklony | 6 | 1643,7 | 0,797 |
R² nemůže klesnout, protože rozšířený model může vždy zopakovat odhady jednoduššího modelu. Případné zvýšení však samo nedokazuje, že jsou nové koeficienty užitečné.
20 Které koeficientyČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y). jednotlivé modely odhadují?
Počet koeficientů není abstraktní číslo. Každý z nich odpovídá konkrétní části modelu: interceptuParametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y)., sklonuParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). nebo rozdílu mezi druhy.
- Společná přímka — 2 koeficienty:
(Intercept)prumer_kmene_cm
- Posun mezi druhy — 4 koeficienty:
(Intercept)prumer_kmene_cmdruh_stromuPinus ponderosadruh_stromuPseudotsuga menziesii
- Různé sklony — 6 koeficientů:
(Intercept)prumer_kmene_cmdruh_stromuPinus ponderosadruh_stromuPseudotsuga menziesiiprumer_kmene_cm:druh_stromuPinus ponderosaprumer_kmene_cm:druh_stromuPseudotsuga menziesii
Společná přímka má intercept a jeden sklon. Aditivní model přidává dva rozdíly druhů vůči referenčnímu druhu. Interakční modelSituace, kdy efekt jednoho prediktoru na odezvu závisí na hodnotě jiného prediktoru. navíc přidává dva rozdíly ve sklonech. Právě tyto konkrétní možnosti navíc mohou zlepšit shodu s daty.
21 Stačí zlepšení R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). na další koeficientyČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y).?
Adjustované R² (adjusted R-squared) se ptá, zda je nárůst obyčejného R² dostatečně velký vzhledem ke dvěma dalším údajům:
- \(n\) je počet pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. použitých k odhadu modelu;
- \(k\) je počet odhadovaných regresních koeficientů včetně interceptuParametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y)..
V našich datech mají všechny modely stejné \(n = 63\), ale postupně odhadují 2, 4, 6 koeficientů. Pro aditivní model známe:
- obyčejné R² = 0,793;
- počet pozorování \(n = 63\);
- počet regresních koeficientů \(k = 4\).
Úprava vychází z podílu variabilityObecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu., který obyčejné R² nezachytilo. Tento podíl zvětší podle počtu pozorování a koeficientů:
\[ \text{adjustované R²} = 1 - \left( \text{podíl variability nezachycený modelem} \times \text{úprava za počet pozorování a koeficientů} \right). \]
Do vztahu dosadíme hodnoty aditivního modelu:
\[ R^2_{\mathrm{adj}} = 1 - \left(1 - \text{0,793}\right) \times \frac{63 - 1} {63 - 4} = \text{0,782}. \]
Po výpočtu obou částí v závorce dostaneme:
\[ R^2_{\mathrm{adj}} = 1 - \left( \text{0,207} \times \text{1,051} \right) = \text{0,782}. \]
Obecná podoba stejného výpočtu je:
\[ R^2_{\mathrm{adj}} = 1 - \left(1 - R^2\right) \times \frac{n - 1}{n - k}. \]
Faktor \(\frac{n - 1}{n - k}\) je při přidání koeficientů větší. Pokud nové koeficienty nesníží residuální variabilitu dostatečně, adjustované R² se zmenší.
Shodu vyjadřuje \(1-R^2\), velikost datového souboru představuje \(n\) a počet koeficientů představuje \(k\). Po přidání interakce se změní R² i \(k\); počet pozorování \(n\) zůstane stejný.
22 Kdy může adjustované R² klesnout?
Porovnáme obyčejné R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). po přidání interakceSituace, kdy efekt jednoho prediktoru na odezvu závisí na hodnotě jiného prediktoru.. Ta přidává další sklonyParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). a má smysl jen tehdy, pokud dostatečně změní residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. vzhledem k počtu nových koeficientůČíselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y)..
| Kandidátní model | Počet koeficientů | R² | Adjustované R² |
|---|---|---|---|
| Společná přímka | 2 | 0,768 | 0,764 |
| Posun mezi druhy | 4 | 0,793 | 0,782 |
| Různé sklony | 6 | 0,797 | 0,779 |
Přechod z aditivního modelu k interakčnímu přidá dva sklony. Obyčejné R² se zvýší z 0,793 na 0,797, ale adjustované R² klesne z 0,782 na 0,779. Zisk ve shodě je pro tuto úpravu příliš malý.
Obyčejné R² se nezmenší, protože RSS se po přidání koeficientu nemůže zvětšit. Adjustované R² však pravděpodobně klesne: téměř stejný nezachycený podíl se násobí větší úpravou za počet koeficientů.
23 Jak vyvážit shodu a jednoduchost modelu?
R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). hodnotí shodu s pozorovanými daty, ale nezvýhodňuje jednodušší vysvětlení. Při porovnání modelůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test. proto používáme také princip úspornosti (parsimony): složitější model má být upřednostněn jen tehdy, když přinese dostatečné zlepšení shody.
Předběžně bychom upřednostnili jednodušší model. Potřebujeme však posoudit, zda malé zlepšení shody složitějšího modelu vyváží 2 koeficienty navíc.
24 Jak AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. vyjadřuje úspornost modelu?
Akaikeho informační kritérium (Akaike information criterion, AIC) je alternativní způsob porovnání kandidátůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test.. V jednom čísle vyvažuje:
- shodu modelu s pozorovanými daty;
- penalizaci za složitost modelu.
Lepší shoda AIC snižuje, zatímco další odhadované veličiny je zvyšují. Proto při srovnání stejných dat preferujeme nižší AIC. AIC nevyjadřuje podíl variabilityObecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu. a nemá stejnou škálu jako R².
25 Co nám říkají rozdíly AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. mezi kandidáty?
Hodnotu AIC jednoho modelu získáme přímo funkcí AIC():
# Vypočítáme AIC společné přímky
AIC(object = mod_spolecny)[1] 398.64
Samotné AIC 398,64 nelze označit za „dobré“ nebo „špatné“. Jde o relativní kritérium: číslo získává význam až ve srovnání předem určených kandidátůPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test..
Porovnávané modely přitom musí používat:
- stejnou odezvuProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y.;
- stejná pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných.;
- stejný způsob pravděpodobnostního popisu residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. — zde u všech kandidátů předpokládáme residua s normálním rozdělenímPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. a stejnou základní strukturou.
Kandidáty porovnáme tak, že od AIC každého z nich odečteme nejnižší AIC v celé sadě:
\[ \text{rozdíl od nejnižší AIC} = \text{AIC kandidáta} - \text{nejnižší AIC v sadě}. \]
Pro společnou přímku dosadíme její AIC a nejnižší AIC ze tří kandidátů:
\[ \text{rozdíl od nejnižší AIC} = \text{398,64} - \text{395,44}. \]
Po odečtení dostaneme:
\[ \text{rozdíl od nejnižší AIC} = \text{3,20}. \]
Tento rozdíl se často označuje jako ΔAIC (delta AIC).
Obecně jej zapíšeme:
\[ \Delta AIC_i = AIC_i - AIC_{\min}. \]
Symbol \(i\) označuje konkrétní kandidátní model, \(AIC_i\) jeho hodnotu AIC a \(AIC_{\min}\) nejnižší AIC v celé kandidátní sadě. Nejlépe podporovaný kandidát má ΔAIC rovné 0; ostatní hodnoty ukazují, o kolik je jejich AIC větší. V této lekci záměrně nepoužíváme univerzální práh, který by rozhodnutí automatizoval.
| Kandidátní model | AIC | Rozdíl od nejnižší AIC (ΔAIC) |
|---|---|---|
| Společná přímka | 398,64 | 3,20 |
| Posun mezi druhy | 395,44 | 0,00 |
| Různé sklony | 398,27 | 2,83 |
Chybí AIC dalších modelů odhadnutých pro stejnou odezvu a stejná pozorování. Kandidáty porovnávají rozdíly mezi těmito hodnotami, ne jedna hodnota sama.
26 Ukazují R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše)., adjustované R² a AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. na stejný model?
Každá míra zachází se shodou a složitostí jinak. Jejich společná tabulka proto není hlasováním, ale podkladem pro argument.
| Kandidátní model | Počet koeficientů | R² | Adjustované R² | AIC |
|---|---|---|---|---|
| Společná přímka | 2 | 0,768 | 0,764 | 398,64 |
| Posun mezi druhy | 4 | 0,793 | 0,782 | 395,44 |
| Různé sklony | 6 | 0,797 | 0,779 | 398,27 |
Interakční modelSituace, kdy efekt jednoho prediktoru na odezvu závisí na hodnotě jiného prediktoru. má nejvyšší R², protože má nejvíce možností přizpůsobit se datům. Aditivní model má nejvyšší adjustované R² a nejnižší AIC, protože dodatečné sklonyParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). interakčního modelu nepřinesly dostatečné zlepšení shody. Žádná z těchto hodnot neudává pravděpodobnost, že je model pravdivý.
27 Stačí dobré skóre k tomu, aby byl model dobrý?
Srovnávací skóre nenahrazuje diagnostiku modeluSoubor grafických a numerických kontrol ověřujících, zda jsou splněny předpoklady modelu: linearita, normalita reziduí, homoskedasticita, absence vlivných bodů.. U kandidáta podporovaného adjustovaným R² a AIC kontrolujeme vztah residuíRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. k odhadnutým hodnotámHodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ., Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. a vliv jednotlivých pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných..
Do grafu residuí přidáme vyhlazenou křivku, kterou spočítá funkce lowess(). Křivka v každém místě grafu sleduje, kde residua v okolí v průměru leží. Nic nového neodhaduje, jen pomáhá vidět vzor, který tvoří body.
# Zkontrolujeme, zda residua leží kolem nuly bez vzoru
plot(
x = fitted(object = mod_aditivni),
y = residuals(object = mod_aditivni),
col = vec_barvy_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
pch = vec_symboly_druhu[as.character(data_stromy$druh_stromu)],
cex = 1.2,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
xlab = "Odhadnutá výška stromu (m)",
ylab = "Residuum (m)"
)
abline(
h = 0,
col = "#2E2E2E",
lty = 2
)
# Vyhlazená křivka sleduje průměrnou polohu residuí
lines(
x = lowess(
x = fitted(object = mod_aditivni),
y = residuals(object = mod_aditivni)
),
col = "#F3A712",
lwd = 3
)Residua neleží kolem nuly náhodně. U stromů s odhadnutou výškou pod 16 m je průměrné residuum −5,9 m, mezi 16 a 32 m +3,1 m a nad 32 m −2,1 m. Residua tak tvoří oblouk: nízké i nejvyšší stromy model nadhodnocuje, středně vysoké podhodnocuje. Přímka tedy nevystihuje tvar vztahu mezi průměrem kmene a výškou; výška s průměrem kmene nejspíš roste stále pomaleji. Ve stejných pásmech mají stejný oblouk i residua společné přímky (průměrná residua −5,7; +3,4 a −2,8 m) a modelu s různými sklony (−5,8; +3,4 a −2,1 m). Oblouk tedy nevyřeší ani druh stromu, ani rozdílné sklony.
# Zkontrolujeme tvar rozdělení residuí
qqnorm(
y = residuals(object = mod_aditivni),
pch = 19,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
main = "Q–Q graf residuí",
xlab = "Teoretické kvantily",
ylab = "Kvantily residuí (m)"
)
qqline(
y = residuals(object = mod_aditivni),
col = "#2E2E2E",
lwd = 2
)Body v Q–Q grafu se na obou koncích od přímky odchylují. Část této odchylky může souviset s obloukem: residua, která zanechává nevhodný tvar modelu, nemusí mít rozdělení předpokládané lineárním modelem.
Zbývá otázka, zda některé pozorování model neovlivňuje neobvykle silně. Cookova vzdálenostMíra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. (Cook’s distance) shrnuje, jak silně by se odhadnuté hodnoty změnily po vynechání jednoho pozorování. Orientační čára \(4/n\) není automatický test; pouze označuje stromy, které si zaslouží bližší kontrolu.
# Vypočítáme vliv jednotlivých pozorování
vec_cookova_vzdalenost <-
cooks.distance(model = mod_aditivni)
hranice_cook <-
4 / nobs(object = mod_aditivni)
# Zobrazíme, která pozorování mají největší vliv
plot(
x = vec_cookova_vzdalenost,
type = "h",
lwd = 2,
cex.axis = 1.2,
cex.lab = 1.2,
xlab = "Pořadí stromu v tabulce",
ylab = "Cookova vzdálenost"
)
abline(
h = hranice_cook,
col = "#F3A712",
lty = 2,
lwd = 2
)Nad orientační čarou leží 4 pozorování. To není důvod je odstranit; je to důvod vrátit se k jejich měření, biologickému významu a vlivu na závěr.
28 Který model lze pro tyto stromy nejlépe obhájit?
Aditivní model s průměrem kmene a druhem stromu představuje pro tato data nejlépe obhajitelný model ze tří posuzovaných kandidátů. Oproti jedné společné přímce zachytí rozdíly mezi druhy. Interakční modelSituace, kdy efekt jednoho prediktoru na odezvu závisí na hodnotě jiného prediktoru. sice dosáhne nejvyššího R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše)., ale jeho dodatečné sklonyParametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). nepřinesou dostatečný zisk podle adjustovaného R² ani AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů..
Tento závěr zůstává podmíněný. Neříká, že je aditivní model nejlepší ze všech možných modelů. ResiduaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. všech tří kandidátů tvoří oblouk, takže přímky nevystihují zakřivený tvar vztahu. Data navíc obsahují omezený počet stromů, Q–Q grafGraf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. není přímý a pozorovací studie sama nedokládá příčinný efektKvantitativní popis toho, jak se podle modelu mění odezva s prediktorem; zahrnuje směr, velikost a nejistotu odhadu, ale sám o sobě nedokládá příčinu. druhu.
29 Jak porovnávat modelyPostup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test. bez automatického hledání?
- Položte biologickou otázku.
- Prohlédněte a zobrazte data.
- Definujte malou sadu biologicky zdůvodněných kandidátů.
- Použijte pro všechny kandidáty stejnou odezvuProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y. a stejná pozorováníJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných..
- Porovnejte odhadnuté vztahy, residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ., R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše)., adjustované R² a AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů..
- Zkontrolujte předpoklady a vlivná pozorování.
- Obhajte závěr a pojmenujte jeho omezení.
30 Co bude následovat dál
Všechny tři kandidáty jsme kreslili jako přímky, a jejich residuaRozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. přesto tvoří oblouk. Problém tedy není jen ve volbě prediktorůProměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci y ~ x je prediktor x.: vztah výšky a průměru kmene je nelineárníSituace, kdy vztah mezi prediktorem a odezvou není dobře popsatelný přímkou - má zakřivení nebo jinou nelineární formu.. V následující lekci se naučíme popisovat tvar rozděleníPopis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. hodnot i tvar vztahu a uvidíme, jak může vhodná transformaceMatematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. proměnných pomoci lineárnímu modelu popsat i zakřivený vztah. Kandidátní tvary vztahu budeme stejně jako v této lekci porovnávat až poté, co je biologicky zdůvodníme.
31 Shrnutí
- R²Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). je podíl variabilityObecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu. odezvyProměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu y ~ x je odezva y., který model zachytil v datech; počítá se z celkového součtu čtverců a součtu čtverců residuíSoučet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem..
- R² po přidání členu do vnořeného lineárního modeluStatistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). nemůže klesnout, a proto samo nevybírá model.
- Adjustované R² a AICMíra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. vyvažují shodu a složitost, každé jinak; AIC má smysl jen jako rozdíl mezi modely se stejnou odezvou a stejnými pozorovánímiJeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných..
- Kandidáty definujeme podle biologické otázky předtím, než porovnáme jejich skóre.
- Konečná obhajoba musí zahrnout také diagnostikuSoubor grafických a numerických kontrol ověřujících, zda jsou splněny předpoklady modelu: linearita, normalita reziduí, homoskedasticita, absence vlivných bodů., interpretovatelnost a omezení dat.
31.1 Závěrečná otázka
Vyberte si biologickou otázku ze svého oboru. Jaké dva nebo tři kandidátní modely byste sestavili ještě před analýzou a co by vás přesvědčilo, abyste dali přednost jednoduššímu z nich?
Slovníček pojmů
Pojmy použité v těchto materiálech a jejich definice:
| term | definition |
|---|---|
| aic | Míra kvality modelu, která penalizuje složitost - čím nižší AIC, tím lepší poměr mezi přesností modelu a počtem jeho parametrů. |
| bodovy-graf | Graf vztahu dvou numerických proměnných, v němž každý bod představuje jedno pozorování a jeho dvě hodnoty určují polohu na osách. |
| cookova-vzdalenost | Míra vlivu jednoho pozorování na model: vyjadřuje, jak moc by se změnily odhadnuté hodnoty, kdybychom toto pozorování vynechali. |
| diagnostika-modelu | Soubor grafických a numerických kontrol ověřujících, zda jsou splněny předpoklady modelu: linearita, normalita reziduí, homoskedasticita, absence vlivných bodů. |
| efekt | Kvantitativní popis toho, jak se podle modelu mění odezva s prediktorem; zahrnuje směr, velikost a nejistotu odhadu, ale sám o sobě nedokládá příčinu. |
| interakce-predikatoru | Situace, kdy efekt jednoho prediktoru na odezvu závisí na hodnotě jiného prediktoru. |
| intercept | Parametr modelu: hodnota odezvy predikovaná modelem, když jsou všechny prediktory rovno nule; geometricky jde o úsek na ose y (kde regresní přímka protíná osu y). |
| linearni-model | Statistický model předpokládající, že odezva je lineární funkcí prediktorů plus chybový člen s normálním rozdělením (y = a + b·x + ε). |
| nejistota | Rozsah, v němž nevíme přesnou hodnotu parametru kvůli omezenému a variabilnímu vzorku; kvantifikuje se pomocí intervalů spolehlivosti nebo směrodatných chyb. |
| nelinearita | Situace, kdy vztah mezi prediktorem a odezvou není dobře popsatelný přímkou - má zakřivení nebo jinou nelineární formu. |
| numericka-promenna | Proměnná, jejíž hodnoty jsou čísla se smysluplnou velikostí nebo rozdílem; může být diskrétní, například počet, nebo spojitá, například délka. |
| odezva | Proměnná, jejíž variabilitu se snažíme vysvětlit nebo předpovědět; v notaci modelu `y ~ x` je odezva `y`. |
| odhadnuta-hodnota | Hodnota odezvy, kterou fitovaný model přiřadí pozorování na základě jeho hodnot prediktorů; značí se často ŷ. |
| parametry-modelu | Číselné hodnoty odhadnuté z dat definující tvar modelu; v lineárním modelu jsou to intercept a sklon(y). |
| porovnani-modelu | Postup výběru nejlepšího modelu z množiny kandidátů pomocí kritérií jako AIC nebo likelihood ratio test. |
| pozorovani | Jeden zaznamenaný případ v datech, který obsahuje hodnoty jedné nebo více proměnných. |
| prediktor | Proměnná, pomocí níž vysvětlujeme variabilitu odezvy; v notaci `y ~ x` je prediktor `x`. |
| promenna | Vlastnost zaznamenaná u pozorování, která může mezi pozorováními nabývat různých hodnot, například druh, délka nebo počet. |
| prumer | Součet hodnot vydělený jejich počtem; nejběžnější míra polohy (střední hodnoty). |
| qq-graf | Graf, který porovnává seřazené hodnoty (typicky residua) s kvantily očekávanými u zvoleného rozdělení, nejčastěji normálního. |
| r2 | Podíl variability odezvy vysvětlený modelem (0 = model nevysvětluje nic, 1 = model vysvětluje vše). |
| residuum | Rozdíl mezi pozorovanou hodnotou odezvy a hodnotou predikovanou modelem: eᵢ = yᵢ − ŷᵢ. |
| rezidualni-smerodatna-odchylka | Odhad typické velikosti residuí v jednotkách odezvy; popisuje rozptýlení pozorování kolem hodnot odhadnutých modelem. |
| rozdeleni | Popis toho, jaké hodnoty proměnná nabývá a jak často se vyskytují; může jít o pozorované rozdělení dat nebo o teoretické pravděpodobnostní rozdělení. |
| sklon | Parametr lineárního modelu udávající, o kolik se změní odezva, pokud prediktor vzroste o jednu jednotku (při zachování ostatních prediktorů). |
| smerodatna-odchylka | Odmocnina rozptylu; vyjadřuje průměrnou vzdálenost hodnot od průměru ve stejných jednotkách jako původní data. |
| soucet-ctvercu-residui | Součet druhých mocnin všech residuí; vyjadřuje celkovou čtvercovou odchylku pozorovaných hodnot od hodnot odhadnutých modelem. |
| transformace | Matematická operace použitá na hodnoty proměnné s cílem splnit předpoklady modelu nebo zlepšit linearitu vztahu. |
| variabilita | Obecný termín pro rozsah, v němž se hodnoty proměnné liší od sebe navzájem; kvantifikuje se pomocí rozptylu, SD, IQR nebo rozsahu. |