RIを使用して問題がなければ、bbmleのmle2関数を使用して最小二乗尤度関数を最適化し、非負のnnls係数の95％信頼区間を計算することもできます。さらに、係数の対数を最適化することで係数が負にならないことを考慮に入れることができるため、逆変換されたスケールでは係数が負になることはありません。
これは、このアプローチを説明する数値の例です。ここでは、ガウスノイズのあるガウス形状のクロマトグラフピークの重ね合わせをデコンボリューションするコンテキストで使用します：（コメントは歓迎します）
まず、いくつかのデータをシミュレートしましょう：
require(Matrix)
n = 200
x = 1:n
npeaks = 20
set.seed(123)
u = sample(x, npeaks, replace=FALSE) # peak locations which later need to be estimated
peakhrange = c(10,1E3) # peak height range
h = 10^runif(npeaks, min=log10(min(peakhrange)), max=log10(max(peakhrange))) # simulated peak heights, to be estimated
a = rep(0, n) # locations of spikes of simulated spike train, need to be estimated
a[u] = h
gauspeak = function(x, u, w, h=1) h*exp(((x-u)^2)/(-2*(w^2))) # shape of single peak, assumed to be known
bM = do.call(cbind, lapply(1:n, function (u) gauspeak(x, u=u, w=5, h=1) )) # banded matrix with theoretical peak shape function used
y_nonoise = as.vector(bM %*% a) # noiseless simulated signal = linear convolution of spike train with peak shape function
y = y_nonoise + rnorm(n, mean=0, sd=100) # simulated signal with gaussian noise on it
y = pmax(y,0)
par(mfrow=c(1,1))
plot(y, type="l", ylab="Signal", xlab="x", main="Simulated spike train (red) to be estimated given known blur kernel & with Gaussian noise")
lines(a, type="h", col="red")
次に、測定されたノイズの多い信号yを、既知のガウス形状のぼかしカーネルのシフトされたコピーを含むバンド行列でデコンボリューションしますbM（これは、共変量/設計行列です）。
最初に、負でない最小二乗で信号をデコンボリューションしましょう：
library(nnls)
library(microbenchmark)
microbenchmark(a_nnls <- nnls(A=bM,b=y)$x) # 5.5 ms
plot(x, y, type="l", main="Ground truth (red), nnls estimate (blue)", ylab="Signal (black) & peaks (red & blue)", xlab="Time", ylim=c(-max(y),max(y)))
lines(x,-y)
lines(a, type="h", col="red", lwd=2)
lines(-a_nnls, type="h", col="blue", lwd=2)
yhat = as.vector(bM %*% a_nnls) # predicted values
residuals = (y-yhat)
nonzero = (a_nnls!=0) # nonzero coefficients
n = nrow(bM)
p = sum(nonzero)+1 # nr of estimated parameters = nr of nonzero coefficients+estimated variance
variance = sum(residuals^2)/(n-p) # estimated variance = 8114.505
次に、ガウス損失目標の負の対数尤度を最適化し、係数の対数を最適化して、逆変換されたスケールで負にならないようにします。
library(bbmle)
XM=as.matrix(bM)[,nonzero,drop=FALSE] # design matrix, keeping only covariates with nonnegative nnls coefs
colnames(XM)=paste0("v",as.character(1:n))[nonzero]
yv=as.vector(y) # response
# negative log likelihood function for gaussian loss
NEGLL_gaus_logbetas <- function(logbetas, X=XM, y=yv, sd=sqrt(variance)) {
-sum(stats::dnorm(x = y, mean = X %*% exp(logbetas), sd = sd, log = TRUE))
}
parnames(NEGLL_gaus_logbetas) <- colnames(XM)
system.time(fit <- mle2(
minuslogl = NEGLL_gaus_logbetas,
start = setNames(log(a_nnls[nonzero]+1E-10), colnames(XM)), # we initialise with nnls estimates
vecpar = TRUE,
optimizer = "nlminb"
)) # takes 0.86s
AIC(fit) # 2394.857
summary(fit) # now gives log(coefficients) (note that p values are 2 sided)
# Coefficients:
# Estimate Std. Error z value Pr(z)
# v10 4.57339 2.28665 2.0000 0.0454962 *
# v11 5.30521 1.10127 4.8173 1.455e-06 ***
# v27 3.36162 1.37185 2.4504 0.0142689 *
# v38 3.08328 23.98324 0.1286 0.8977059
# v39 3.88101 12.01675 0.3230 0.7467206
# v48 5.63771 3.33932 1.6883 0.0913571 .
# v49 4.07475 16.21209 0.2513 0.8015511
# v58 3.77749 19.78448 0.1909 0.8485789
# v59 6.28745 1.53541 4.0950 4.222e-05 ***
# v70 1.23613 222.34992 0.0056 0.9955643
# v71 2.67320 54.28789 0.0492 0.9607271
# v80 5.54908 1.12656 4.9257 8.407e-07 ***
# v86 5.96813 9.31872 0.6404 0.5218830
# v87 4.27829 84.86010 0.0504 0.9597911
# v88 4.83853 21.42043 0.2259 0.8212918
# v107 6.11318 0.64794 9.4348 < 2.2e-16 ***
# v108 4.13673 4.85345 0.8523 0.3940316
# v117 3.27223 1.86578 1.7538 0.0794627 .
# v129 4.48811 2.82435 1.5891 0.1120434
# v130 4.79551 2.04481 2.3452 0.0190165 *
# v145 3.97314 0.60547 6.5620 5.308e-11 ***
# v157 5.49003 0.13670 40.1608 < 2.2e-16 ***
# v172 5.88622 1.65908 3.5479 0.0003884 ***
# v173 6.49017 1.08156 6.0008 1.964e-09 ***
# v181 6.79913 1.81802 3.7399 0.0001841 ***
# v182 5.43450 7.66955 0.7086 0.4785848
# v188 1.51878 233.81977 0.0065 0.9948174
# v189 5.06634 5.20058 0.9742 0.3299632
# ---
# Signif. codes: 0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1
#
# -2 log L: 2338.857
exp(confint(fit, method="quad")) # backtransformed confidence intervals calculated via quadratic approximation (=Wald confidence intervals)
# 2.5 % 97.5 %
# v10 1.095964e+00 8.562480e+03
# v11 2.326040e+01 1.743531e+03
# v27 1.959787e+00 4.242829e+02
# v38 8.403942e-20 5.670507e+21
# v39 2.863032e-09 8.206810e+11
# v48 4.036402e-01 1.953696e+05
# v49 9.330044e-13 3.710221e+15
# v58 6.309090e-16 3.027742e+18
# v59 2.652533e+01 1.090313e+04
# v70 1.871739e-189 6.330566e+189
# v71 8.933534e-46 2.349031e+47
# v80 2.824905e+01 2.338118e+03
# v86 4.568985e-06 3.342200e+10
# v87 4.216892e-71 1.233336e+74
# v88 7.383119e-17 2.159994e+20
# v107 1.268806e+02 1.608602e+03
# v108 4.626990e-03 8.468795e+05
# v117 6.806996e-01 1.021572e+03
# v129 3.508065e-01 2.255556e+04
# v130 2.198449e+00 6.655952e+03
# v145 1.622306e+01 1.741383e+02
# v157 1.853224e+02 3.167003e+02
# v172 1.393601e+01 9.301732e+03
# v173 7.907170e+01 5.486191e+03
# v181 2.542890e+01 3.164652e+04
# v182 6.789470e-05 7.735850e+08
# v188 4.284006e-199 4.867958e+199
# v189 5.936664e-03 4.236704e+06
library(broom)
signlevels = tidy(fit)$p.value/2 # 1-sided p values for peak to be sign higher than 1
adjsignlevels = p.adjust(signlevels, method="fdr") # FDR corrected p values
a_nnlsbbmle = exp(coef(fit)) # exp to backtransform
max(a_nnls[nonzero]-a_nnlsbbmle) # -9.981704e-11, coefficients as expected almost the same
plot(x, y, type="l", main="Ground truth (red), nnls bbmle logcoeff estimate (blue & green, green=FDR p value<0.05)", ylab="Signal (black) & peaks (red & blue)", xlab="Time", ylim=c(-max(y),max(y)))
lines(x,-y)
lines(a, type="h", col="red", lwd=2)
lines(x[nonzero], -a_nnlsbbmle, type="h", col="blue", lwd=2)
lines(x[nonzero][(adjsignlevels<0.05)&(a_nnlsbbmle>1)], -a_nnlsbbmle[(adjsignlevels<0.05)&(a_nnlsbbmle>1)],
type="h", col="green", lwd=2)
sum((signlevels<0.05)&(a_nnlsbbmle>1)) # 14 peaks significantly higher than 1 before FDR correction
sum((adjsignlevels<0.05)&(a_nnlsbbmle>1)) # 11 peaks significant after FDR correction
この方法のパフォーマンスをノンパラメトリックまたはパラメトリックブートストラップと比較することは試みていませんが、確かにはるかに高速です。
またnnls、観測されたフィッシャー情報行列に基づいて非負係数のWald信頼区間を計算でき、非負性制約を強制するために対数変換係数スケールで計算され、nnls推定で評価できるはずだとも考えました。
私が考えて、これはこのように書き、実際に私が使用してやったと正式に同一である必要がありますmle2上：
XM=as.matrix(bM)[,nonzero,drop=FALSE] # design matrix
posbetas = a_nnls[nonzero] # nonzero nnls coefficients
dispersion=sum(residuals^2)/(n-p) # estimated dispersion (variance in case of gaussian noise) (1 if noise were poisson or binomial)
information_matrix = t(XM) %*% XM # observed Fisher information matrix for nonzero coefs, ie negative of the 2nd derivative (Hessian) of the log likelihood at param estimates
scaled_information_matrix = (t(XM) %*% XM)*(1/dispersion) # information matrix scaled by 1/dispersion
# let's now calculate this scaled information matrix on a log transformed Y scale (cf. stat.psu.edu/~sesa/stat504/Lecture/lec2part2.pdf, slide 20 eqn 8 & Table 1) to take into account the nonnegativity constraints on the parameters
scaled_information_matrix_logscale = scaled_information_matrix/((1/posbetas)^2) # scaled information_matrix on transformed log scale=scaled information matrix/(PHI'(betas)^2) if PHI(beta)=log(beta)
vcov_logscale = solve(scaled_information_matrix_logscale) # scaled variance-covariance matrix of coefs on log scale ie of log(posbetas) # PS maybe figure out how to do this in better way using chol2inv & QR decomposition - in R unscaled covariance matrix is calculated as chol2inv(qr(XW_glm)$qr)
SEs_logscale = sqrt(diag(vcov_logscale)) # SEs of coefs on log scale ie of log(posbetas)
posbetas_LOWER95CL = exp(log(posbetas) - 1.96*SEs_logscale)
posbetas_UPPER95CL = exp(log(posbetas) + 1.96*SEs_logscale)
data.frame("2.5 %"=posbetas_LOWER95CL,"97.5 %"=posbetas_UPPER95CL,check.names=F)
# 2.5 % 97.5 %
# 1 1.095874e+00 8.563185e+03
# 2 2.325947e+01 1.743600e+03
# 3 1.959691e+00 4.243037e+02
# 4 8.397159e-20 5.675087e+21
# 5 2.861885e-09 8.210098e+11
# 6 4.036017e-01 1.953882e+05
# 7 9.325838e-13 3.711894e+15
# 8 6.306894e-16 3.028796e+18
# 9 2.652467e+01 1.090340e+04
# 10 1.870702e-189 6.334074e+189
# 11 8.932335e-46 2.349347e+47
# 12 2.824872e+01 2.338145e+03
# 13 4.568282e-06 3.342714e+10
# 14 4.210592e-71 1.235182e+74
# 15 7.380152e-17 2.160863e+20
# 16 1.268778e+02 1.608639e+03
# 17 4.626207e-03 8.470228e+05
# 18 6.806543e-01 1.021640e+03
# 19 3.507709e-01 2.255786e+04
# 20 2.198287e+00 6.656441e+03
# 21 1.622270e+01 1.741421e+02
# 22 1.853214e+02 3.167018e+02
# 23 1.393520e+01 9.302273e+03
# 24 7.906871e+01 5.486398e+03
# 25 2.542730e+01 3.164851e+04
# 26 6.787667e-05 7.737904e+08
# 27 4.249153e-199 4.907886e+199
# 28 5.935583e-03 4.237476e+06
z_logscale = log(posbetas)/SEs_logscale # z values for log(coefs) being greater than 0, ie coefs being > 1 (since log(1) = 0)
pvals = pnorm(z_logscale, lower.tail=FALSE) # one-sided p values for log(coefs) being greater than 0, ie coefs being > 1 (since log(1) = 0)
pvals.adj = p.adjust(pvals, method="fdr") # FDR corrected p values
plot(x, y, type="l", main="Ground truth (red), nnls estimates (blue & green, green=FDR Wald p value<0.05)", ylab="Signal (black) & peaks (red & blue)", xlab="Time", ylim=c(-max(y),max(y)))
lines(x,-y)
lines(a, type="h", col="red", lwd=2)
lines(-a_nnls, type="h", col="blue", lwd=2)
lines(x[nonzero][pvals.adj<0.05], -a_nnls[nonzero][pvals.adj<0.05],
type="h", col="green", lwd=2)
sum((pvals<0.05)&(posbetas>1)) # 14 peaks significantly higher than 1 before FDR correction
sum((pvals.adj<0.05)&(posbetas>1)) # 11 peaks significantly higher than 1 after FDR correction
これらの計算の結果とによって返される結果mle2はほぼ同じですが（はるかに高速です）、これは正しいと思いますmle2。暗黙的に行っていたことに対応します...
nnls通常の線形モデルフィットbtwを使用して、正の係数で共変量を再フィットするだけでは機能しません。そのような線形モデルフィットは非負性制約を考慮しないため、負になる可能性のある無意味な信頼区間が生じるためです。Jason LeeとJonathan Taylorによるこの論文「マージナルスクリーニングのための正確な事後モデル選択推論」では、非負のnnls（またはLASSO）係数に対して事後モデル選択推論を行う方法を紹介し、そのために切り捨てガウス分布を使用しています。nnlsフィットのこのメソッドの公開されている実装は見たことがありません-LASSOフィットの場合、selectiveInferenceがありますそのようなことをするパッケージ。誰かが実装を持っている場合は、私に知らせてください！
上記の方法では、トレーニングと検証のセット（奇数と偶数の観測など）でデータを分割し、トレーニングセットから正の係数を使用して共変量を推定し、検証セットから信頼区間とp値を計算することもできます。データの半分しか使用しないので、電力の損失も発生しますが、オーバーフィッティングに対して少し耐性があります。非負性制約自体はすでに過剰適合から保護するのに非常に効果的であるため、ここではそれをしませんでした。