GLMでは、飽和モデルの対数尤度は常にゼロですか?


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一般化線形モデルの出力の一部として、ヌルと残差偏差を使用してモデルを評価します。飽和モデルの対数尤度で表されるこれらの量の式をよく見ます。たとえば、https://stats.stackexchange.com/a/113022/22199、ロジスティック回帰:飽和モデルを取得する方法

私が理解する限り、飽和モデルは観測された応答に完全に適合するモデルです。したがって、私が見たほとんどの場所で、飽和モデルの対数尤度は常にゼロとして与えられます。

しかし、逸脱の公式が与えられる方法は、この量がゼロでない場合があることを示唆しています。(常にゼロであるかのように、なぜそれを含めるのが面倒ですか?)

どのような場合にゼロ以外になる可能性がありますか?決してゼロ以外ではない場合、なぜ逸脱の式に含めるのですか?

回答:


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対数尤度を本当に意味する場合、答えは次のとおりです。常にゼロではありません。

例えば、ポアソンデータを考慮してください。以下のための対数尤度Y = (Y 1、... 、Y nが):で与えられる ℓ (μ ; Y )= - N Σは iが= 1 μ I + N Σ iは= 1、I N Σの Iy私〜ポアソン(μ私)、私=1、…、nY=(y1、…、yn)

(∗)ℓ(μ;Y)=−∑i=1nμi+∑i=1nyilog⁡μi−∑i=1nlog⁡(yi!).

分化に(* )に対してμ Iおよびに設定0(これは、我々は、飽和モデルのMLEを得る方法である): - 1 + Y Iℓ(μ;Y)(∗)μi0 ため、この解決μiを得るために、μ iは=YIを置換する、 μ Iに戻し(*)のためにμiは飽和モデルの対数尤度であることを与える: ℓ( μ ;Y)=n ∑ i=1yi(logyi−1)−n ∑

−1+yiμi=0.
μiμ^i=y私μ^私(∗)μiyiが非常に特別な値をとら ない限り、 1 log(yi!)≠0
ℓ(μ^;Y)=∑i=1nyi(log⁡yi−1)−∑i=1nlog⁡(yi!)≠0
yi

R関数のヘルプページのglmitemの下devianceで、ドキュメントはこの問題を次のように説明しています。

deviance 最大の対数尤度のマイナス2倍の定数まで。合理的な場合、定数は飽和モデルが逸脱ゼロを持つように選択されます。

飽和モデルの対数尤度ではなく、逸脱がゼロになるように選択されていることに注意してください。

おそらく、あなたが本当に確認したかったのは、「逸脱飽和モデルのは常にゼロとして与えられる」ことであり、これは定義から逸脱しているので真実です(アランによるカテゴリデータ分析(第2版)のセクション4.5.1を参照) Agresti)は、飽和モデルに対する指定されたGLMの尤度比統計です。constantRドキュメントの前述のは、実際には、飽和モデルの二倍最大化対数尤度です。

「まだ、逸脱の公式が与えられる方法は、この量がゼロでない場合があることを示唆しています。」という文については、おそらく逸脱という用語の使用の乱用によるものです。たとえば、Rでは、2つの任意の(ネストされた)モデルとM1、より正確と呼ばれるであろう乖離度と呼ばれ、差のずれの間の M 1との乖離M2M1M2、Agrestiの本にある定義に厳密に従った場合。

結論

  1. 飽和モデルの対数尤度は一般にゼロではありません。

  2. 飽和モデルの偏差(元の定義では)はゼロです。

  3. ソフトウェア(Rなど)からの逸脱出力は、実際には他の何か(逸脱の違い)を意味するため、一般にゼロではありません。


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(1)f(yi;θi,φ)=exp⁡[Ai(yiθi−γ(θi))/φ+τ(yi,φ/Ai)].
Aiφ
ℓ(θ,φ;Y)=∑i=1nAi(yiθi−γ(θi))/φ+∑i=1nτ(yi,φ/Ai).
0=U(θi)=∂ℓ(θ,φ;Y)∂θi=Ai(yi−γ′(θi))φ

θ^i

(∗∗)ℓ(θ^,φ;Y)=∑i=1nAi(yiθ^i−γ(θ^i))/φ+∑i=1nτ(yi,φ/Ai).

私の以前の答えでは、右側の最初の項(∗∗)は常にゼロである、上記のポアソンデータの例はそれが間違っていることを証明しています。より複雑な例として、ガンマ分布考えますΓ(α,β)は、付録に記載されて考慮してください。


f(y;α,β)=βαΓ(α)e−βyyα−1,y>0,α>0,β>0,
f(1)
φ=1α,θ=−βα,
f
f(y;θ,φ)=exp⁡[θy−(−log⁡(−θ))φ+τ(y,φ)],
τ(y,φ)=−log⁡φφ+(1φ−1)log⁡y−log⁡Γ(φ−1).
θ^i=−1yi
∑i=1n1φ[θ^iyi−(−log⁡(−θ^i))]=∑i=1n1φ[−1−log⁡(yi)]≠0,
yi

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モデルが可能な結果のそれぞれに100%の確率を割り当てることができる場合にのみ、対数尤度はゼロですか?
— アレックス

0τ0

あなたの派生は非常に良いですが、正式な証拠は現時点で私の頭の上に少しあります。ポアソンモデルの例に感謝します。この例から取り出したのは、ポアソンモデルがポアソン平均の値が与えられた場合、観測された結果に100%の確率を割り当てることができないため、尤度をゼロにすることはできません。
— アレックス

100%y1,…,ynYP(Y=y1)+P(Y=y2)+⋯+P(Y=yn)<1

1
YP(Y=yi)<1i

4

0

(1)L(y;バツ、β)=∏私=1nf(y私;バツ私、β)=∏私=1nπ私y私(1−π私)1−y私=∏私=1n(π私1−π私)y私(1−π私)
π私=invlogit(バツ私⊺β)

log⁡L(y;X,β)=∑i=1nyilog⁡(πi1−πi)+log⁡(1−πi)=∑i=1nyilogit(πi)+log⁡(1−πi)=∑i=1nyixi⊺β+log⁡(1−invlogit(xi⊺β))=∑i=1nyixi⊺β+log⁡(invlogit(−xi⊺β))=∑i=1nyixi⊺β−log⁡(1+exp⁡[xi⊺β]))

If you take the derivatives with respect to all of the coefficients you get

(2)∇ℓ(β)=∑i=1nyixi−exp⁡[xi⊺β](1+exp⁡[xi⊺β])xi.

Setting this expression equal to 0 and solving for β will give you your answer. Usually this can't be done analytically, which explains the popularity/necessity of using iterative algorithms to fit this model, but in the case of a saturated model, it is possible.

To find the saturated model, we give each row it's own coefficent. So β∈Rn and the design matrix times the coefficient vector is

Xβ=[10⋯001⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯1][β1β2⋮βn].

Note that in particular, xi⊺β=βi.

So taking the jth row of equation (2) gives us

∑i=1nyixi,j=∑i=1nexp⁡[xi⊺β](1+exp⁡[xi⊺β])xi,j

which can only be true if for each observation i:

yi=invlogit(βi)
or in other words each βi is plus or minus infinity (if yi is 1 or 0, respectively). We can plug these parameters back into (1) to get the maximized likelihood:
∏i=1nπ^iyi(1−π^i)1−yi=1n=1.
Clearly the log of this is 0.


But this assumes ungrouped data. If you have groups with ni>1 (and the same covariate values) (in R, forexample using the form glm( cbind(k, n-k) ~ x + ... ) then the saturated model do not have loglikelihood zero.
— kjetil b halvorsen

@kjetilbhalvorsen oh good point. I never tried that let me check
— Taylor

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@Alex:はい、そうです。少なくとも離散分布の場合。連続分布の場合、密度を1に等しくすることになりますが、これは必ずしも意味がなく、したがって、試行して達成するのが賢明なことではありません。少し一般的には、飽和モデルの対数尤度は、基礎となる分布ファミリーの仮定に従うモデルのパフォーマンスの上限を提供します。言い換えれば、飽和二項モデルの対数尤度は、Yが二項であると仮定して、与えられたデータセット(X、Y)に対して「得る限り良好」です。モデルは応答分布の仮定によって本質的に制約されるため、glmモデルを、たとえば100%(または同様)とは対照的に、この上限と比較することは理にかなっています。

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