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Introduction à la modélisation à plusieurs niveaux dans TensorFlow Probability

Cet exemple est porté à partir du bloc - notes exemple PyMC3 Notions élémentaires sur les méthodes bayésienne pour la modélisation multi - niveaux

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Dépendances et prérequis

Importer

1. Introduction

Dans ce colab nous adapter à des modèles hiérarchiques linéaires () de divers HLM degrés de complexité du modèle en utilisant l'ensemble de données Radon populaire. Nous utiliserons les primitives TFP et son jeu d'outils Markov Chain Monte Carlo.

Pour mieux ajuster les données, notre objectif est d'utiliser la structure hiérarchique naturelle présente dans l'ensemble de données. Nous commençons par des approches conventionnelles : des modèles complètement mutualisés et non poolés. Nous poursuivons avec les modèles multiniveaux : explorer les modèles de mise en commun partielle, les prédicteurs au niveau du groupe et les effets contextuels.

Pour un ordinateur portable lié montage également à l' aide de TFP sur les organismes HLM l'ensemble de données Radon, consultez linéaire mixte Effet de régression dans {Probabilité TF, R, Stan} .

Si vous avez des questions sur le matériel ici, ne hésitez pas à contacter (ou joindre) la liste de diffusion de probabilité tensorflow . Nous sommes heureux de vous aider.

2 Présentation de la modélisation à plusieurs niveaux

Introduction aux méthodes bayésiennes pour la modélisation multi-niveaux

La modélisation hiérarchique ou multi-niveaux est une généralisation de la modélisation par régression.

Les modèles multiniveaux sont des modèles de régression dans lesquels les paramètres constitutifs du modèle reçoivent des distributions de probabilité. Cela implique que les paramètres du modèle peuvent varier selon le groupe. Les unités d'observation sont souvent naturellement regroupées. Le clustering induit une dépendance entre les observations, malgré l'échantillonnage aléatoire des grappes et l'échantillonnage aléatoire au sein des grappes.

Un modèle hiérarchique est un modèle à plusieurs niveaux particulier où les paramètres sont imbriqués les uns dans les autres. Certaines structures à plusieurs niveaux ne sont pas hiérarchiques.

Par exemple, « pays » et « année » ne sont pas imbriqués, mais peuvent représenter des groupes de paramètres séparés, mais qui se chevauchent. Nous motiverons ce sujet en utilisant un exemple d'épidémiologie environnementale.

Exemple : Contamination au radon (Gelman et Hill 2006)

Le radon est un gaz radioactif qui pénètre dans les maisons par des points de contact avec le sol. C'est un cancérogène qui est la principale cause de cancer du poumon chez les non-fumeurs. Les niveaux de radon varient considérablement d'un foyer à l'autre.

L'EPA a fait une étude des niveaux de radon dans 80 000 maisons. Deux prédicteurs importants sont : 1. Mesure au sous-sol ou au premier étage (radon plus élevé dans les sous-sols) 2. Niveau d'uranium du comté (corrélation positive avec les niveaux de radon)

Nous nous concentrerons sur la modélisation des niveaux de radon au Minnesota. La hiérarchie dans cet exemple est celle des ménages au sein de chaque comté.

3 Collecte de données

Dans cette section , on obtient le radon ensemble de données et faire un peu le minimum de traitement.

def load_and_preprocess_radon_dataset(state='MN'):  
  """Preprocess Radon dataset as done in "Bayesian Data Analysis" book.

  We filter to Minnesota data (919 examples) and preprocess to obtain the
  following features:

  - `log_uranium_ppm`: Log of soil uranium measurements.
  - `county`: Name of county in which the measurement was taken.
  - `floor`: Floor of house (0 for basement, 1 for first floor) on which the
    measurement was taken.

  The target variable is `log_radon`, the log of the Radon measurement in the
  house.
  """
  ds = tfds.load('radon', split='train')
  radon_data = tfds.as_dataframe(ds)
  radon_data.rename(lambda s: s[9:] if s.startswith('feat') else s, axis=1, inplace=True)
  df = radon_data[radon_data.state==state.encode()].copy()

  # For any missing or invalid activity readings, we'll use a value of `0.1`.
  df['radon'] = df.activity.apply(lambda x: x if x > 0. else 0.1)
  # Make county names look nice. 
  df['county'] = df.county.apply(lambda s: s.decode()).str.strip().str.title()
  # Remap categories to start from 0 and end at max(category).
  county_name = sorted(df.county.unique())
  df['county'] = df.county.astype(
      pd.api.types.CategoricalDtype(categories=county_name)).cat.codes
  county_name = list(map(str.strip, county_name))

  df['log_radon'] = df['radon'].apply(np.log)
  df['log_uranium_ppm'] = df['Uppm'].apply(np.log)
  df = df[['idnum', 'log_radon', 'floor', 'county', 'log_uranium_ppm']]

  return df, county_name
radon, county_name = load_and_preprocess_radon_dataset()
num_counties = len(county_name)
num_observations = len(radon)
# Create copies of variables as Tensors.
county = tf.convert_to_tensor(radon['county'], dtype=tf.int32)
floor = tf.convert_to_tensor(radon['floor'], dtype=tf.float32)
log_radon = tf.convert_to_tensor(radon['log_radon'], dtype=tf.float32)
log_uranium = tf.convert_to_tensor(radon['log_uranium_ppm'], dtype=tf.float32)
radon.head()

Distribution des niveaux de radon (échelle logarithmique) :

plt.hist(log_radon.numpy(), bins=25, edgecolor='white')
plt.xlabel("Histogram of Radon levels (Log Scale)")
plt.show()

png

4 Approches conventionnelles

Les deux alternatives conventionnelles à la modélisation de l'exposition au radon représentent les deux extrêmes du compromis biais-variance :

Mise en commun complète :

Traitez tous les comtés de la même manière et estimez un seul niveau de radon.

$$y_i = \alpha + \beta x_i + \epsilon_i$$

Pas de mise en commun :

Modéliser le radon dans chaque comté indépendamment.

$$y_i = \alpha_{j[i]} + \beta x_i + \epsilon_i$$

où $j = 1,\ldots,85$

Les erreurs $\epsilon_i$ peuvent représenter une erreur de mesure, une variation temporelle à l'intérieur de la maison ou une variation entre les maisons.

4.1 Modèle de mise en commun complet

png

Ci-dessous, nous ajustons le modèle de mise en commun complet à l'aide de l'hamiltonien Monte Carlo.

@tf.function
def affine(x, kernel_diag, bias=tf.zeros([])):
  """`kernel_diag * x + bias` with broadcasting."""
  kernel_diag = tf.ones_like(x) * kernel_diag
  bias = tf.ones_like(x) * bias
  return x * kernel_diag + bias
def pooled_model(floor):
  """Creates a joint distribution representing our generative process."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # alpha
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # beta
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma
      lambda s, b1, b0: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(floor, b1[..., tf.newaxis], b0[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=s)
  ])


@tf.function
def pooled_log_prob(alpha, beta, sigma):
  """Computes `joint_log_prob` pinned at `log_radon`."""
  return pooled_model(floor).log_prob([alpha, beta, sigma, log_radon])
@tf.function
def sample_pooled(num_chains, num_results, num_burnin_steps, num_observations):
  """Samples from the pooled model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=pooled_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.005)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains], name='init_alpha'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_beta'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma')
  ]

  # Contrain `sigma` to the positive real axis. Other variables are
  # unconstrained.
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # alpha
      tfb.Identity(),  # beta
      tfb.Exp()        # sigma
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)

  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
PooledModel = collections.namedtuple('PooledModel', ['alpha', 'beta', 'sigma'])

samples, acceptance_probs = sample_pooled(
    num_chains=4,
    num_results=1000,
    num_burnin_steps=1000,
    num_observations=num_observations)

print('Acceptance Probabilities for each chain: ', acceptance_probs.numpy())
pooled_samples = PooledModel._make(samples)
Acceptance Probabilities for each chain:  [0.997 0.99  0.997 0.995]
for var, var_samples in pooled_samples._asdict().items():
  print('R-hat for ', var, ':\t',
        tfp.mcmc.potential_scale_reduction(var_samples).numpy())
R-hat for  alpha :     1.0046891
R-hat for  beta :  1.0128309
R-hat for  sigma :     1.0010641
def reduce_samples(var_samples, reduce_fn):
  """Reduces across leading two dims using reduce_fn. """
  # Collapse the first two dimensions, typically (num_chains, num_samples), and
  # compute np.mean or np.std along the remaining axis.
  if isinstance(var_samples, tf.Tensor):
    var_samples = var_samples.numpy() # convert to numpy array
  var_samples = np.reshape(var_samples, (-1,) +  var_samples.shape[2:])
  return np.apply_along_axis(reduce_fn, axis=0, arr=var_samples)

sample_mean = lambda samples : reduce_samples(samples, np.mean)

Tracez les estimations ponctuelles de la pente et de l'interception pour le modèle de regroupement complet.

LinearEstimates = collections.namedtuple('LinearEstimates',
                                        ['intercept', 'slope'])

pooled_estimate = LinearEstimates(
  intercept=sample_mean(pooled_samples.alpha),
  slope=sample_mean(pooled_samples.beta)
)

plt.scatter(radon.floor, radon.log_radon)
xvals = np.linspace(-0.2, 1.2)
plt.ylabel('Radon level (Log Scale)')
plt.xticks([0, 1], ['Basement', 'First Floor'])
plt.plot(xvals, pooled_estimate.intercept + pooled_estimate.slope * xvals, 'r--')
plt.show()

png

Fonction utilitaire pour tracer les traces des variables échantillonnées.

def plot_traces(var_name, samples, num_chains):
  if isinstance(samples, tf.Tensor):
    samples = samples.numpy() # convert to numpy array
  fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 1.5), sharex='col', sharey='col')
  for chain in range(num_chains):
    axes[0].plot(samples[:, chain], alpha=0.7)
    axes[0].title.set_text("'{}' trace".format(var_name))
    sns.kdeplot(samples[:, chain], ax=axes[1], shade=False)
    axes[1].title.set_text("'{}' distribution".format(var_name))
    axes[0].set_xlabel('Iteration')
    axes[1].set_xlabel(var_name)
  plt.show()
for var, var_samples in pooled_samples._asdict().items():
  plot_traces(var, samples=var_samples, num_chains=4)

png

png

png

Ensuite, nous estimons les niveaux de radon pour chaque comté dans le modèle non groupé.

4.2 Modèle non groupé

png

def unpooled_model(floor, county):
  """Creates a joint distribution for the unpooled model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.MultivariateNormalDiag(       # alpha
          loc=tf.zeros([num_counties]), scale_identity_multiplier=1e5),
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # beta
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma
      lambda s, b1, b0: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(
            floor, b1[..., tf.newaxis], tf.gather(b0, county, axis=-1)),
          scale_identity_multiplier=s)
  ])


@tf.function
def unpooled_log_prob(beta0, beta1, sigma):
  """Computes `joint_log_prob` pinned at `log_radon`."""
  return (
    unpooled_model(floor, county).log_prob([beta0, beta1, sigma, log_radon]))
@tf.function
def sample_unpooled(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the unpooled model."""
  # Initialize the HMC transition kernel.
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=unpooled_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.025)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_beta0'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_beta1'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma')
  ]
  # Contrain `sigma` to the positive real axis. Other variables are
  # unconstrained.
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # alpha
      tfb.Identity(),  # beta
      tfb.Exp()        # sigma
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
UnpooledModel = collections.namedtuple('UnpooledModel',
                                       ['alpha', 'beta', 'sigma'])

samples, acceptance_probs = sample_unpooled(
    num_chains=4, num_results=1000, num_burnin_steps=1000)

print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
unpooled_samples = UnpooledModel._make(samples)

print('R-hat for beta:',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(unpooled_samples.beta).numpy())
print('R-hat for sigma:',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(unpooled_samples.sigma).numpy())
Acceptance Probabilities:  [0.892 0.897 0.911 0.91 ]
R-hat for beta: 1.0079623
R-hat for sigma: 1.0059084
plot_traces(var_name='beta', samples=unpooled_samples.beta, num_chains=4)
plot_traces(var_name='sigma', samples=unpooled_samples.sigma, num_chains=4)

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png

Voici les valeurs attendues du comté non regroupées pour l'interception ainsi que les intervalles crédibles à 95 % pour chaque chaîne. Nous rapportons également la valeur R-hat pour l'estimation de chaque comté.

Fonction d'utilité pour les parcelles forestières.

forest_plot(
    num_chains=4,
    num_vars=num_counties,
    var_name='alpha',
    var_labels=county_name,
    samples=unpooled_samples.alpha.numpy())

png

Nous pouvons tracer les estimations ordonnées pour identifier les comtés avec des niveaux élevés de radon :

unpooled_intercepts = reduce_samples(unpooled_samples.alpha, np.mean)
unpooled_intercepts_se = reduce_samples(unpooled_samples.alpha, np.std)

def plot_ordered_estimates():
  means = pd.Series(unpooled_intercepts, index=county_name)
  std_errors = pd.Series(unpooled_intercepts_se, index=county_name)
  order = means.sort_values().index

  plt.plot(range(num_counties), means[order], '.')
  for i, m, se in zip(range(num_counties), means[order], std_errors[order]):
    plt.plot([i, i], [m - se, m + se], 'C0-')
  plt.xlabel('Ordered county')
  plt.ylabel('Radon estimate')
  plt.show()

plot_ordered_estimates()

png

Fonction d'utilité pour tracer des estimations pour un échantillon de comtés.

Voici des comparaisons visuelles entre les estimations regroupées et non regroupées pour un sous-ensemble de comtés représentant une gamme de tailles d'échantillons.

unpooled_estimates = LinearEstimates(
  sample_mean(unpooled_samples.alpha),
  sample_mean(unpooled_samples.beta)
)

sample_counties = ('Lac Qui Parle', 'Aitkin', 'Koochiching', 'Douglas', 'Clay',
                   'Stearns', 'Ramsey', 'St Louis')
plot_estimates(
    linear_estimates=[unpooled_estimates, pooled_estimate],
    labels=['Unpooled Estimates', 'Pooled Estimates'],
    sample_counties=sample_counties)

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Aucun de ces modèles n'est satisfaisant :

  • si nous essayons d'identifier les comtés riches en radon, la mise en commun n'est pas utile.
  • nous ne faisons pas confiance aux estimations extrêmes non regroupées produites par des modèles utilisant peu d'observations.

5 modèles multiniveaux et hiérarchiques

Lorsque nous mettons nos données en commun, nous perdons l'information selon laquelle différents points de données provenaient de différents comtés. Cela signifie que chaque radon de l' observation de est échantillonnée à partir de la même distribution de probabilité. Un tel modèle ne parvient pas à apprendre toute variation dans l'unité d'échantillonnage qui est inhérente au sein d'un groupe (par exemple un comté). Il ne tient compte que de la variance d'échantillonnage.

mpl.rc("font", size=18)

pgm = daft.PGM([13.6, 2.2], origin=[1.15, 1.0], node_ec="none")
pgm.add_node(daft.Node("parameter", r"parameter", 2.0, 3))
pgm.add_node(daft.Node("observations", r"observations", 2.0, 2))
pgm.add_node(daft.Node("theta", r"$\theta$", 5.5, 3))
pgm.add_node(daft.Node("y_0", r"$y_0$", 4, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_1", r"$y_1$", 5, 2))
pgm.add_node(daft.Node("dots", r"$\cdots$", 6, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_k", r"$y_k$", 7, 2))
pgm.add_edge("theta", "y_0")
pgm.add_edge("theta", "y_1")
pgm.add_edge("theta", "y_k")
pgm.render()
plt.show()

png

Lorsque nous analysons des données non regroupées, nous sous-entendons qu'elles sont échantillonnées indépendamment de modèles distincts. À l'opposé du cas groupé, cette approche prétend que les différences entre les unités d'échantillonnage sont trop importantes pour les combiner :

mpl.rc("font", size=18)

pgm = daft.PGM([13.6, 2.2], origin=[1.15, 1.0], node_ec="none")
pgm.add_node(daft.Node("parameter", r"parameter", 2.0, 3))
pgm.add_node(daft.Node("observations", r"observations", 2.0, 2))
pgm.add_node(daft.Node("theta_0", r"$\theta_0$", 4, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_1", r"$\theta_1$", 5, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_dots", r"$\cdots$", 6, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_k", r"$\theta_k$", 7, 3))

pgm.add_node(daft.Node("y_0", r"$y_0$", 4, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_1", r"$y_1$", 5, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_dots", r"$\cdots$", 6, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_k", r"$y_k$", 7, 2))
pgm.add_edge("theta_0", "y_0")
pgm.add_edge("theta_1", "y_1")
pgm.add_edge("theta_k", "y_k")
pgm.render()
plt.show()

png

Dans un modèle hiérarchique, les paramètres sont considérés comme un échantillon d'une distribution de population de paramètres. Ainsi, nous les considérons comme n'étant ni entièrement différents ni exactement les mêmes. Ceci est connu comme la mise en commun partielle.

mpl.rc("font", size=18)

pgm = daft.PGM([13.6, 3.4], origin=[1.15, 1.0], node_ec="none")
pgm.add_node(daft.Node("model", r"model", 2.0, 4))
pgm.add_node(daft.Node("parameter", r"parameter", 2.0, 3))
pgm.add_node(daft.Node("observations", r"observations", 2.0, 2))
pgm.add_node(daft.Node("mu_sigma", r"$\mu,\sigma^2$", 5.5, 4))
pgm.add_node(daft.Node("theta_0", r"$\theta_0$", 4, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_1", r"$\theta_1$", 5, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_dots", r"$\cdots$", 6, 3))
pgm.add_node(daft.Node("theta_k", r"$\theta_k$", 7, 3))
pgm.add_node(daft.Node("y_0", r"$y_0$", 4, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_1", r"$y_1$", 5, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_dots", r"$\cdots$", 6, 2))
pgm.add_node(daft.Node("y_k", r"$y_k$", 7, 2))
pgm.add_edge("mu_sigma", "theta_0")
pgm.add_edge("mu_sigma", "theta_1")
pgm.add_edge("mu_sigma", "theta_k")
pgm.add_edge("theta_0", "y_0")
pgm.add_edge("theta_1", "y_1")
pgm.add_edge("theta_k", "y_k")
pgm.render()
plt.show()

png

5.1 Mise en commun partielle

Le modèle de regroupement partiel le plus simple pour l'ensemble de données sur le radon des ménages est celui qui estime simplement les niveaux de radon, sans aucun prédicteur au niveau du groupe ou de l'individu. Un exemple de prédicteur au niveau individuel est de savoir si le point de données provient du sous-sol ou du premier étage. Un prédicteur au niveau du groupe peut être les niveaux moyens d'uranium à l'échelle du comté.

Un modèle de regroupement partiel représente un compromis entre les extrêmes regroupées et non regroupées, approximativement une moyenne pondérée (basée sur la taille de l'échantillon) des estimations de comté non regroupées et des estimations regroupées.

Soit $\hat{\alpha}_j$ le niveau estimé de log-radon dans le comté $j$. C'est juste une interception ; nous ignorons les pentes pour l'instant. $n_j$ est le nombre d'observations du comté $j$. $\sigma_{\alpha}$ et $\sigma_y$ sont respectivement la variance au sein du paramètre et la variance d'échantillonnage. Ensuite, un modèle de pooling partiel pourrait poser :

$$\hat{\alpha}_j \approx \frac{(n_j/\sigma_y^2)\bar{y}_j + (1/\sigma_{\alpha}^2)\bar{y} }{(n_j/\sigma_y^2) + (1/\sigma_{\alpha}^2)}$$

Nous attendons les éléments suivants lors de l'utilisation du pool partiel :

  • Les estimations pour les comtés avec de plus petites tailles d'échantillon se rétréciront vers la moyenne à l'échelle de l'État.
  • Les estimations pour les comtés avec des échantillons de plus grande taille seront plus proches des estimations de comté non regroupées.
mpl.rc("font", size=12)
pgm = daft.PGM([7, 4.5], node_unit=1.2)
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "mu_a_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        1,
        4,
        fixed=True,
        offset=(0, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_a_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        3,
        4,
        fixed=True,
        offset=(10, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        4,
        3,
        fixed=True,
        offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("mu_a", r"$\mu_a$", 1, 3))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_a", r"$\sigma_a$", 3, 3))
pgm.add_node(daft.Node("a", r"$a \sim \mathcal{N}$", 2, 2, scale=1.25))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_y", r"$\sigma_y$", 4, 2))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "y_i", r"$y_i \sim \mathcal{N}$", 3.25, 1, scale=1.25, observed=True))
pgm.add_edge("mu_a_prior", "mu_a")
pgm.add_edge("sigma_a_prior", "sigma_a")
pgm.add_edge("mu_a", "a")
pgm.add_edge("sigma_a", "a")
pgm.add_edge("sigma_prior", "sigma_y")
pgm.add_edge("sigma_y", "y_i")
pgm.add_edge("a", "y_i")
pgm.add_plate(daft.Plate([1.4, 1.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:85$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([2.65, 0.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:919$"))

pgm.render()
plt.show()

png

def partial_pooling_model(county):
  """Creates a joint distribution for the partial pooling model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # mu_a
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      lambda sigma_a, mu_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # a
          loc=mu_a[..., tf.newaxis] * tf.ones([num_counties])[tf.newaxis, ...],
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_y
      lambda sigma_y, a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=tf.gather(a, county, axis=-1),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


@tf.function
def partial_pooling_log_prob(mu_a, sigma_a, a, sigma_y):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return partial_pooling_model(county).log_prob(
      [mu_a, sigma_a, a, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_partial_pooling(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the partial pooling model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=partial_pooling_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains], name='init_mu_a'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_a'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # mu_a
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # a
      tfb.Exp()        # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
PartialPoolingModel = collections.namedtuple(
    'PartialPoolingModel', ['mu_a', 'sigma_a', 'a', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_partial_pooling(
    num_chains=4, num_results=1000, num_burnin_steps=1000)

print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
partial_pooling_samples = PartialPoolingModel._make(samples)
Acceptance Probabilities:  [0.989 0.977 0.988 0.985]
for var in ['mu_a', 'sigma_a', 'sigma_y']:
  print(
      'R-hat for ', var, '\t:',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(getattr(partial_pooling_samples,
                                                 var)).numpy())
R-hat for  mu_a     : 1.0216417
R-hat for  sigma_a  : 1.0224565
R-hat for  sigma_y  : 1.0016255
partial_pooling_intercepts = reduce_samples(
    partial_pooling_samples.a.numpy(), np.mean)
partial_pooling_intercepts_se = reduce_samples(
    partial_pooling_samples.a.numpy(), np.std)

def plot_unpooled_vs_partial_pooling_estimates():
  fig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(14, 6), sharex=True, sharey=True)

  # Order counties by number of observations (and add some jitter).
  num_obs_per_county = (
      radon.groupby('county')['idnum'].count().values.astype(np.float32))
  num_obs_per_county += np.random.normal(scale=0.5, size=num_counties)

  intercepts_list = [unpooled_intercepts, partial_pooling_intercepts]
  intercepts_se_list = [unpooled_intercepts_se, partial_pooling_intercepts_se]

  for ax, means, std_errors in zip(axes, intercepts_list, intercepts_se_list):
    ax.plot(num_obs_per_county, means, 'C0.')
    for n, m, se in zip(num_obs_per_county, means, std_errors):
      ax.plot([n, n], [m - se, m + se], 'C1-', alpha=.5)

  for ax in axes:
    ax.set_xscale('log')
    ax.set_xlabel('No. of Observations Per County')
    ax.set_xlim(1, 100)
    ax.set_ylabel('Log Radon Estimate (with Standard Error)')
    ax.set_ylim(0, 3)
    ax.hlines(partial_pooling_intercepts.mean(), .9, 125, 'k', '--', alpha=.5)
  axes[0].set_title('Unpooled Estimates')
  axes[1].set_title('Partially Pooled Estimates')

plot_unpooled_vs_partial_pooling_estimates()

png

Notez la différence entre les estimations non regroupées et partiellement regroupées, en particulier pour les tailles d'échantillon plus petites. Les premières sont à la fois plus extrêmes et plus imprécises.

5.2 Interceptions variables

Nous considérons maintenant un modèle plus complexe qui permet aux interceptions de varier d'un comté à l'autre, selon un effet aléatoire.

$$y_i = \alpha_{j[i]} + \beta x_{i} + \epsilon_i$$

$$\epsilon_i \sim N(0, \sigma_y^2)$$

et l'effet aléatoire d'interception :

$$\alpha_{j[i]} \sim N(\mu_{\alpha}, \sigma_{\alpha}^2)$$

La pente $\beta$, qui permet de faire varier l'observation selon le lieu de mesure (sous-sol ou premier étage), est toujours un effet fixe partagé entre différents départements.

Comme avec le modèle unpooling, nous avons mis une interception pour chaque comté, mais plutôt que de montage des modèles de régression des moindres carrés séparés pour chaque comté, les actions de modélisation multi - niveaux de force entre les comtés, ce qui permet de déduire plus raisonnable dans les comtés avec peu de données.

mpl.rc("font", size=12)
pgm = daft.PGM([7, 4.5], node_unit=1.2)
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "mu_a_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        1,
        4,
        fixed=True,
        offset=(0, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_a_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        3,
        4,
        fixed=True,
        offset=(10, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "b_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        4,
        3.5,
        fixed=True,
        offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("b", r"$b$", 4, 2.5))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        6,
        3.5,
        fixed=True,
        offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("mu_a", r"$\mu_a$", 1, 3))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_a", r"$\sigma_a$", 3, 3))
pgm.add_node(daft.Node("a", r"$a \sim \mathcal{N}$", 2, 2, scale=1.25))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_y", r"$\sigma_y$", 6, 2.5))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "y_i", r"$y_i \sim \mathcal{N}$", 4, 1, scale=1.25, observed=True))
pgm.add_edge("mu_a_prior", "mu_a")
pgm.add_edge("sigma_a_prior", "sigma_a")
pgm.add_edge("mu_a", "a")
pgm.add_edge("b_prior", "b")
pgm.add_edge("sigma_a", "a")
pgm.add_edge("sigma_prior", "sigma_y")
pgm.add_edge("sigma_y", "y_i")
pgm.add_edge("a", "y_i")
pgm.add_edge("b", "y_i")
pgm.add_plate(daft.Plate([1.4, 1.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:85$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([3.4, 0.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:919$"))

pgm.render()
plt.show()

png

def varying_intercept_model(floor, county):
  """Creates a joint distribution for the varying intercept model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # mu_a
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      lambda sigma_a, mu_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # a
          loc=affine(tf.ones([num_counties]), mu_a[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # b
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_y
      lambda sigma_y, b, a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(floor, b[..., tf.newaxis], tf.gather(a, county, axis=-1)),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


def varying_intercept_log_prob(mu_a, sigma_a, a, b, sigma_y):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return varying_intercept_model(floor, county).log_prob(
      [mu_a, sigma_a, a, b, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_varying_intercepts(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the varying intercepts model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=varying_intercept_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains], name='init_mu_a'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_a'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # mu_a
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # a
      tfb.Identity(),  # b
      tfb.Exp()        # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
VaryingInterceptsModel = collections.namedtuple(
    'VaryingInterceptsModel', ['mu_a', 'sigma_a', 'a', 'b', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_varying_intercepts(
    num_chains=4, num_results=1000, num_burnin_steps=1000)

print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
varying_intercepts_samples = VaryingInterceptsModel._make(samples)
Acceptance Probabilities:  [0.978 0.987 0.982 0.984]
for var in ['mu_a', 'sigma_a', 'b', 'sigma_y']:
  print(
      'R-hat for ', var, ': ',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(
          getattr(varying_intercepts_samples, var)).numpy())
R-hat for  mu_a :  1.1099764
R-hat for  sigma_a :  1.1058794
R-hat for  b :  1.0448593
R-hat for  sigma_y :  1.0019052
varying_intercepts_estimates = LinearEstimates(
    sample_mean(varying_intercepts_samples.a),
    sample_mean(varying_intercepts_samples.b))
sample_counties = ('Lac Qui Parle', 'Aitkin', 'Koochiching', 'Douglas', 'Clay',
                   'Stearns', 'Ramsey', 'St Louis')
plot_estimates(
    linear_estimates=[
        unpooled_estimates, pooled_estimate, varying_intercepts_estimates
    ],
    labels=['Unpooled', 'Pooled', 'Varying Intercepts'],
    sample_counties=sample_counties)

png

def plot_posterior(var_name, var_samples):
  if isinstance(var_samples, tf.Tensor):
    var_samples = var_samples.numpy() # convert to numpy array

  fig = plt.figure(figsize=(10, 3))
  ax = fig.add_subplot(111)
  ax.hist(var_samples.flatten(), bins=40, edgecolor='white')
  sample_mean = var_samples.mean()
  ax.text(
      sample_mean,
      100,
      'mean={:.3f}'.format(sample_mean),
      color='white',
      fontsize=12)
  ax.set_xlabel('posterior of ' + var_name)
  plt.show()


plot_posterior('b', varying_intercepts_samples.b)
plot_posterior('sigma_a', varying_intercepts_samples.sigma_a)

png

png

L'estimation du coefficient de plancher est d'environ -0,69, ce qui peut être interprété comme des maisons sans sous-sol ayant environ la moitié ($\exp(-0,69) = 0,50$) des niveaux de radon de celles avec sous-sol, après prise en compte du comté.

for var in ['b']:
  var_samples = getattr(varying_intercepts_samples, var)
  mean = var_samples.numpy().mean()
  std = var_samples.numpy().std()
  r_hat = tfp.mcmc.potential_scale_reduction(var_samples).numpy()
  n_eff = tfp.mcmc.effective_sample_size(var_samples).numpy().sum()

  print('var: ', var, ' mean: ', mean, ' std: ', std, ' n_eff: ', n_eff,
        ' r_hat: ', r_hat)
var:  b  mean:  -0.6972574  std:  0.06966117  n_eff:  397.94327  r_hat:  1.0448593
def plot_intercepts_and_slopes(linear_estimates, title):
  xvals = np.arange(2)
  intercepts = np.ones([num_counties]) * linear_estimates.intercept
  slopes = np.ones([num_counties]) * linear_estimates.slope
  fig, ax = plt.subplots()
  for c in range(num_counties):
    ax.plot(xvals, intercepts[c] + slopes[c] * xvals, 'bo-', alpha=0.4)
  plt.xlim(-0.2, 1.2)
  ax.set_xticks([0, 1])
  ax.set_xticklabels(['Basement', 'First Floor'])
  ax.set_ylabel('Log Radon level')
  plt.title(title)
  plt.show()
plot_intercepts_and_slopes(varying_intercepts_estimates,
                           'Log Radon Estimates (Varying Intercepts)')

png

5.3 Pente variable

Alternativement, nous pouvons proposer un modèle qui permet aux comtés de varier selon la façon dont l'emplacement de la mesure (sous-sol ou premier étage) influence la lecture de radon. Dans ce cas, l'interception $\alpha$ est partagée entre les comtés.

$$y_i = \alpha + \beta_{j[i]} x_{i} + \epsilon_i$$
mpl.rc("font", size=12)
pgm = daft.PGM([10, 4.5], node_unit=1.2)
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "mu_b_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        3.2,
        4,
        fixed=True,
        offset=(0, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "a_prior", r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$", 2, 3, fixed=True, offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("a", r"$a$", 2, 2))

pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        4,
        3.5,
        fixed=True,
        offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_y", r"$\sigma_y$", 4, 2.5))

pgm.add_node(
    daft.Node(
        "mu_b_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        5,
        4,
        fixed=True,
        offset=(0, 5)))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_b_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        7,
        4,
        fixed=True,
        offset=(10, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("mu_b", r"$\mu_b$", 5, 3))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_b", r"$\sigma_b$", 7, 3))
pgm.add_node(daft.Node("b", r"$b \sim \mathcal{N}$", 6, 2, scale=1.25))

pgm.add_node(
    daft.Node(
        "y_i", r"$y_i \sim \mathcal{N}$", 4, 1, scale=1.25, observed=True))
pgm.add_edge("a_prior", "a")

pgm.add_edge("mu_b_prior", "mu_b")
pgm.add_edge("sigma_b_prior", "sigma_b")
pgm.add_edge("mu_b", "b")
pgm.add_edge("sigma_b", "b")

pgm.add_edge("sigma_prior", "sigma_y")

pgm.add_edge("sigma_y", "y_i")
pgm.add_edge("a", "y_i")
pgm.add_edge("b", "y_i")
pgm.add_plate(daft.Plate([5.4, 1.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:85$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([3.4, 0.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:919$"))

pgm.render()
plt.show()

png

def varying_slopes_model(floor, county):
  """Creates a joint distribution for the varying slopes model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # mu_b
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_b
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # a
      lambda _, sigma_b, mu_b: tfd.MultivariateNormalDiag(  # b
          loc=affine(tf.ones([num_counties]), mu_b[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=sigma_b),
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_y
      lambda sigma_y, b, a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(floor, tf.gather(b, county, axis=-1), a[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


def varying_slopes_log_prob(mu_b, sigma_b, a, b, sigma_y):
  return varying_slopes_model(floor, county).log_prob(
      [mu_b, sigma_b, a, b, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_varying_slopes(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the varying slopes model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=varying_slopes_log_prob,
      num_leapfrog_steps=25,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains], name='init_mu_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_b'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # mu_b
      tfb.Exp(),       # sigma_b
      tfb.Identity(),  # a
      tfb.Identity(),  # b
      tfb.Exp()        # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
VaryingSlopesModel = collections.namedtuple(
    'VaryingSlopesModel', ['mu_b', 'sigma_b', 'a', 'b', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_varying_slopes(
    num_chains=4, num_results=1000, num_burnin_steps=1000)

print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
varying_slopes_samples = VaryingSlopesModel._make(samples)
Acceptance Probabilities:  [0.979 0.984 0.977 0.984]
for var in ['mu_b', 'sigma_b', 'a', 'sigma_y']:
  print(
      'R-hat for ', var, '\t: ',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(getattr(varying_slopes_samples,
                                                 var)).numpy())
R-hat for  mu_b     :  1.0770341
R-hat for  sigma_b  :  1.0634488
R-hat for  a    :  1.0133665
R-hat for  sigma_y  :  1.0011941
varying_slopes_estimates = LinearEstimates(
    sample_mean(varying_slopes_samples.a),
    sample_mean(varying_slopes_samples.b))

plot_intercepts_and_slopes(varying_slopes_estimates,
                           'Log Radon Estimates (Varying Slopes)')

png

5.4 Intercepts et pentes variables

Le modèle le plus général permet à la fois à l'interception et à la pente de varier selon le comté :

$$y_i = \alpha_{j[i]} + \beta_{j[i]} x_{i} + \epsilon_i$$

png

def varying_intercepts_and_slopes_model(floor, county):
  """Creates a joint distribution for the varying slope model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # mu_a
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),    # mu_b
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_b
      lambda sigma_b, mu_b, sigma_a, mu_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # a
          loc=affine(tf.ones([num_counties]), mu_a[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      lambda _, sigma_b, mu_b: tfd.MultivariateNormalDiag(  # b
          loc=affine(tf.ones([num_counties]), mu_b[..., tf.newaxis]),
          scale_identity_multiplier=sigma_b),
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_y
      lambda sigma_y, b, a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(floor, tf.gather(b, county, axis=-1),
                     tf.gather(a, county, axis=-1)),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


@tf.function
def varying_intercepts_and_slopes_log_prob(mu_a, sigma_a, mu_b, sigma_b, a, b,
                                           sigma_y):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return varying_intercepts_and_slopes_model(floor, county).log_prob(
      [mu_a, sigma_a, mu_b, sigma_b, a, b, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_varying_intercepts_and_slopes(num_chains, num_results,
                                         num_burnin_steps):
  """Samples from the varying intercepts and slopes model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=varying_intercepts_and_slopes_log_prob,
      num_leapfrog_steps=50,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.zeros([num_chains], name='init_mu_a'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_mu_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_b'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Identity(),  # mu_a
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # mu_b
      tfb.Exp(),       # sigma_b
      tfb.Identity(),  # a
      tfb.Identity(),  # b
      tfb.Exp()        # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
VaryingInterceptsAndSlopesModel = collections.namedtuple(
    'VaryingInterceptsAndSlopesModel',
    ['mu_a', 'sigma_a', 'mu_b', 'sigma_b', 'a', 'b', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_varying_intercepts_and_slopes(
    num_chains=4, num_results=1000, num_burnin_steps=500)

print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
varying_intercepts_and_slopes_samples = VaryingInterceptsAndSlopesModel._make(
    samples)
Acceptance Probabilities:  [0.988 0.985 0.992 0.938]
for var in ['mu_a', 'sigma_a', 'mu_b', 'sigma_b']:
  print(
      'R-hat for ', var, '\t: ',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(
          getattr(varying_intercepts_and_slopes_samples, var)).numpy())
R-hat for  mu_a     :  1.010764
R-hat for  sigma_a  :  1.0078123
R-hat for  mu_b     :  1.0279609
R-hat for  sigma_b  :  1.3165458
varying_intercepts_and_slopes_estimates = LinearEstimates(
    sample_mean(varying_intercepts_and_slopes_samples.a),
    sample_mean(varying_intercepts_and_slopes_samples.b))

plot_intercepts_and_slopes(
    varying_intercepts_and_slopes_estimates,
    'Log Radon Estimates (Varying Intercepts and Slopes)')

png

forest_plot(
    num_chains=4,
    num_vars=num_counties,
    var_name='a',
    var_labels=county_name,
    samples=varying_intercepts_and_slopes_samples.a.numpy())
forest_plot(
    num_chains=4,
    num_vars=num_counties,
    var_name='b',
    var_labels=county_name,
    samples=varying_intercepts_and_slopes_samples.b.numpy())

png

png

6 Ajout de prédicteurs au niveau du groupe

L'un des principaux atouts des modèles multiniveaux est leur capacité à gérer des prédicteurs à plusieurs niveaux simultanément. Si nous considérons le modèle à interceptes variables ci-dessus :

$$y_i = \alpha_{j[i]} + \beta x_{i} + \epsilon_i$$

nous pouvons, au lieu d'un simple effet aléatoire pour décrire la variation de la valeur de radon attendue, spécifier un autre modèle de régression avec une covariable au niveau du comté. Ici, nous utilisons l'indice d'uranium du comté $u_j$, qui serait lié aux niveaux de radon :

$$\alpha_j = \gamma_0 + \gamma_1 u_j + \zeta_j$$
$$\zeta_j \sim N(0, \sigma_{\alpha}^2)$$

Ainsi, nous intégrons maintenant un prédicteur au niveau de la maison (étage ou sous-sol) ainsi qu'un prédicteur au niveau du comté (uranium).

Notez que le modèle a les deux variables indicatrices pour chaque comté, plus une covariable au niveau du comté. Dans la régression classique, cela se traduirait par une colinéarité. Dans un modèle à plusieurs niveaux, la mise en commun partielle des interceptions vers la valeur attendue du modèle linéaire au niveau du groupe évite cela.

Les prédicteurs au niveau du groupe servent également à réduire la variation au niveau du groupe $\sigma_{\alpha}$. Une implication importante de ceci est que l'estimation au niveau du groupe induit une mise en commun plus forte.

6.1 Modèle d'interceptions hiérarchiques

png

def hierarchical_intercepts_model(floor, county, log_uranium):
  """Creates a joint distribution for the varying slope model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      lambda sigma_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # eps_a
          loc=tf.zeros([num_counties]),
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_0
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_1
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # b
      tfd.Uniform(low=0., high=100),  # sigma_y
      lambda sigma_y, b, gamma_1, gamma_0, eps_a: tfd.
      MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(
              floor, b[..., tf.newaxis],
              affine(log_uranium, gamma_1[..., tf.newaxis], 
                     gamma_0[..., tf.newaxis]) + tf.gather(eps_a, county, axis=-1)),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


def hierarchical_intercepts_log_prob(sigma_a, eps_a, gamma_0, gamma_1, b,
                                     sigma_y):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return hierarchical_intercepts_model(floor, county, log_uranium).log_prob(
      [sigma_a, eps_a, gamma_0, gamma_1, b, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_hierarchical_intercepts(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the hierarchical intercepts model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=hierarchical_intercepts_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='eps_a'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_0'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_1'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # eps_a
      tfb.Identity(),  # gamma_0
      tfb.Identity(),  # gamma_0
      tfb.Identity(),  # b
      # Maps reals to [0, 100].
      tfb.Chain([tfb.Shift(shift=50.),
                 tfb.Scale(scale=50.),
                 tfb.Tanh()])  # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
HierarchicalInterceptsModel = collections.namedtuple(
    'HierarchicalInterceptsModel',
    ['sigma_a', 'eps_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'b', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_hierarchical_intercepts(
    num_chains=4, num_results=2000, num_burnin_steps=500)
print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
hierarchical_intercepts_samples = HierarchicalInterceptsModel._make(samples)
Acceptance Probabilities:  [0.9615 0.941  0.955  0.95  ]
for var in ['sigma_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'b', 'sigma_y']:
  print(
      'R-hat for', var, ':',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(
          getattr(hierarchical_intercepts_samples, var)).numpy())
R-hat for sigma_a : 1.0469627
R-hat for gamma_0 : 1.0016835
R-hat for gamma_1 : 1.0097923
R-hat for b : 1.0014259
R-hat for sigma_y : 1.0025403
def plot_hierarchical_intercepts():
  mean_and_var = lambda x : [reduce_samples(x, fn) for fn in [np.mean, np.var]]
  gamma_0_mean, gamma_0_var = mean_and_var(
    hierarchical_intercepts_samples.gamma_0)
  gamma_1_mean, gamma_1_var = mean_and_var(
    hierarchical_intercepts_samples.gamma_1)
  eps_a_means, eps_a_vars  = mean_and_var(hierarchical_intercepts_samples.eps_a)

  mu_a_means = gamma_0_mean + gamma_1_mean * log_uranium
  mu_a_vars = gamma_0_var + np.square(log_uranium) * gamma_1_var
  a_means = mu_a_means + eps_a_means[county]
  a_stds = np.sqrt(mu_a_vars + eps_a_vars[county])

  plt.figure()
  plt.scatter(log_uranium, a_means, marker='.', c='C0')
  xvals = np.linspace(-1, 0.8)
  plt.plot(xvals,gamma_0_mean + gamma_1_mean * xvals, 'k--')
  plt.xlim(-1, 0.8)

  for ui, m, se in zip(log_uranium, a_means, a_stds):
    plt.plot([ui, ui], [m - se, m + se], 'C1-', alpha=0.1)
  plt.xlabel('County-level uranium')
  plt.ylabel('Intercept estimate')


plot_hierarchical_intercepts()

png

Les erreurs types sur les interceptions sont plus étroites que pour le modèle de mise en commun partielle sans covariable au niveau du comté.

6.2 Corrélations entre les niveaux

Dans certains cas, le fait d'avoir des prédicteurs à plusieurs niveaux peut révéler une corrélation entre les variables au niveau individuel et les résidus de groupe. Nous pouvons en tenir compte en incluant la moyenne des prédicteurs individuels comme covariable dans le modèle pour l'interception de groupe.

$$\alpha_j = \gamma_0 + \gamma_1 u_j + \gamma_2 \bar{x} + \zeta_j$$

Ceux - ci sont généralement appelés effets contextuels.

mpl.rc("font", size=12)
pgm = daft.PGM([10, 4.5], node_unit=1.2)
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "gamma_prior",
        r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$",
        1.5,
        4,
        fixed=True,
        offset=(10, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("gamma", r"$\gamma$", 1.5, 3.5))
pgm.add_node(daft.Node("mu_a", r"$\mu_a$", 1.5, 2.2))
pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_a_prior",
        r"$\mathrm{HalfCauchy}(0, 5)$",
        3,
        4,
        fixed=True,
        offset=(0, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_a", r"$\sigma_a$", 3, 3.5))
pgm.add_node(daft.Node("eps_a", r"$eps_a$", 3, 2.5, scale=1.25))
pgm.add_node(daft.Node("a", r"$a \sim \mathcal{Det}$", 1.5, 1.2, scale=1.5))

pgm.add_node(
    daft.Node(
        "sigma_prior",
        r"$\mathrm{U}(0, 100)$",
        4,
        3.5,
        fixed=True,
        offset=(20, 5)))
pgm.add_node(daft.Node("sigma_y", r"$\sigma_y$", 4, 2.5))
pgm.add_node(daft.Node("b_prior", r"$\mathcal{N}(0, 10^5)$", 5, 3, fixed=True))
pgm.add_node(daft.Node("b", r"$b$", 5, 2))

pgm.add_node(
    daft.Node(
        "y_i", r"$y_i \sim \mathcal{N}$", 4, 1, scale=1.25, observed=True))

pgm.add_edge("gamma_prior", "gamma")
pgm.add_edge("sigma_a_prior", "sigma_a")
pgm.add_edge("sigma_a", "eps_a")
pgm.add_edge("gamma", "mu_a")
pgm.add_edge("mu_a", "a")
pgm.add_edge("eps_a", "a")

pgm.add_edge("b_prior", "b")
pgm.add_edge("sigma_prior", "sigma_y")

pgm.add_edge("sigma_y", "y_i")
pgm.add_edge("a", "y_i")
pgm.add_edge("b", "y_i")
pgm.add_plate(daft.Plate([0.9, 2.9, 1.2, 1.0], "$i = 1:3$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([2.4, 1.7, 1.2, 1.4], "$i = 1:85$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([0.9, 0.4, 1.2, 2.2], "$i = 1:919$"))
pgm.add_plate(daft.Plate([3.4, 0.2, 1.2, 1.4], "$i = 1:919$"))

pgm.render()
plt.show()

png

# Create a new variable for mean of floor across counties
xbar = tf.convert_to_tensor(radon.groupby('county')['floor'].mean(), tf.float32)
xbar = tf.gather(xbar, county, axis=-1)
def contextual_effects_model(floor, county, log_uranium, xbar):
  """Creates a joint distribution for the varying slope model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      lambda sigma_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # eps_a
          loc=tf.zeros([num_counties]),
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_0
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_1
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_2
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # b
      tfd.Uniform(low=0., high=100),  # sigma_y
      lambda sigma_y, b, gamma_2, gamma_1, gamma_0, eps_a: tfd.
      MultivariateNormalDiag(  # y
          loc=affine(
              floor, b[..., tf.newaxis],
              affine(log_uranium, gamma_1[..., tf.newaxis], gamma_0[
                  ..., tf.newaxis]) + affine(xbar, gamma_2[..., tf.newaxis]) +
              tf.gather(eps_a, county, axis=-1)),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)
  ])


def contextual_effects_log_prob(sigma_a, eps_a, gamma_0, gamma_1, gamma_2, b,
                                sigma_y):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return contextual_effects_model(floor, county, log_uranium, xbar).log_prob(
      [sigma_a, eps_a, gamma_0, gamma_1, gamma_2, b, sigma_y, log_radon])
@tf.function
def sample_contextual_effects(num_chains, num_results, num_burnin_steps):
  """Samples from the hierarchical intercepts model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=contextual_effects_log_prob,
      num_leapfrog_steps=10,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='eps_a'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_0'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_1'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_2'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # eps_a
      tfb.Identity(),  # gamma_0
      tfb.Identity(),  # gamma_1
      tfb.Identity(),  # gamma_2
      tfb.Identity(),  # b
      tfb.Chain([tfb.Shift(shift=50.),
                 tfb.Scale(scale=50.),
                 tfb.Tanh()])  # sigma_y
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
ContextualEffectsModel = collections.namedtuple(
    'ContextualEffectsModel',
    ['sigma_a', 'eps_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'gamma_2', 'b', 'sigma_y'])

samples, acceptance_probs = sample_contextual_effects(
    num_chains=4, num_results=2000, num_burnin_steps=500)
print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
contextual_effects_samples = ContextualEffectsModel._make(samples)
Acceptance Probabilities:  [0.9505 0.9595 0.951  0.9535]
for var in ['sigma_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'gamma_2', 'b', 'sigma_y']:
  print(
      'R-hat for ', var, ': ',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(
          getattr(contextual_effects_samples, var)).numpy())
R-hat for  sigma_a :  1.0709597
R-hat for  gamma_0 :  1.0067923
R-hat for  gamma_1 :  1.0089629
R-hat for  gamma_2 :  1.0054177
R-hat for  b :  1.0018929
R-hat for  sigma_y :  1.0032713
for var in ['gamma_0', 'gamma_1', 'gamma_2']:
  var_samples = getattr(contextual_effects_samples, var)
  mean = var_samples.numpy().mean()
  std = var_samples.numpy().std()
  r_hat = tfp.mcmc.potential_scale_reduction(var_samples).numpy()
  n_eff = tfp.mcmc.effective_sample_size(var_samples).numpy().sum()

  print(var, ' mean: ', mean, ' std: ', std, ' n_eff: ', n_eff, ' r_hat: ',
        r_hat)
gamma_0  mean:  1.3934746  std:  0.04966602  n_eff:  816.21265  r_hat:  1.0067923
gamma_1  mean:  0.7229424  std:  0.088611916  n_eff:  1462.486  r_hat:  1.0089629
gamma_2  mean:  0.40893936  std:  0.20304097  n_eff:  457.8165  r_hat:  1.0054177

Ainsi, nous pourrions en déduire que les comtés avec des proportions plus élevées de maisons sans sous-sol ont tendance à avoir des niveaux de base de radon plus élevés. Cela est peut-être lié au type de sol, qui à son tour peut influencer le type de structures construites.

6.3 Prédiction

Gelman (2006) a utilisé des tests de validation croisée pour vérifier l'erreur de prédiction des modèles non groupés, groupés et partiellement groupés.

Erreurs quadratiques moyennes de prédiction de validation croisée :

  • non mis en commun = 0,86
  • regroupé = 0,84
  • multiniveau = 0,79

Il existe deux types de prédiction qui peuvent être faites dans un modèle à plusieurs niveaux :

  1. Une nouvelle personne au sein d'un groupe existant
  2. Un nouvel individu au sein d'un nouveau groupe

Par exemple, si nous voulions faire une prédiction pour une nouvelle maison sans sous-sol dans le comté de St. Louis, nous avons juste besoin d'échantillonner à partir du modèle de radon avec l'interception appropriée.

county_name.index('St Louis')
69

C'est-à-dire,

$$\tilde{y}_i \sim N(\alpha_{69} + \beta (x_i=1), \sigma_y^2)$$
st_louis_log_uranium = tf.convert_to_tensor(
    radon.where(radon['county'] == 69)['log_uranium_ppm'].mean(), tf.float32)
st_louis_xbar = tf.convert_to_tensor(
    radon.where(radon['county'] == 69)['floor'].mean(), tf.float32)
@tf.function
def intercept_a(gamma_0, gamma_1, gamma_2, eps_a, log_uranium, xbar, county):
  return (affine(log_uranium, gamma_1, gamma_0) + affine(xbar, gamma_2) +
          tf.gather(eps_a, county, axis=-1))


def contextual_effects_predictive_model(floor, county, log_uranium, xbar,
                                        st_louis_log_uranium, st_louis_xbar):
  """Creates a joint distribution for the contextual effects model."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      tfd.HalfCauchy(loc=0., scale=5),  # sigma_a
      lambda sigma_a: tfd.MultivariateNormalDiag(  # eps_a
          loc=tf.zeros([num_counties]),
          scale_identity_multiplier=sigma_a),
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_0
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_1
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # gamma_2
      tfd.Normal(loc=0., scale=1e5),  # b
      tfd.Uniform(low=0., high=100),  # sigma_y
      # y
      lambda sigma_y, b, gamma_2, gamma_1, gamma_0, eps_a: (
        tfd.MultivariateNormalDiag(
          loc=affine(
              floor, b[..., tf.newaxis],
              intercept_a(gamma_0[..., tf.newaxis], 
                          gamma_1[..., tf.newaxis], gamma_2[..., tf.newaxis],
                          eps_a, log_uranium, xbar, county)),
          scale_identity_multiplier=sigma_y)),
      # stl_pred
      lambda _, sigma_y, b, gamma_2, gamma_1, gamma_0, eps_a: tfd.Normal(
          loc=intercept_a(gamma_0, gamma_1, gamma_2, eps_a,
                          st_louis_log_uranium, st_louis_xbar, 69) + b,
          scale=sigma_y)
  ])


@tf.function
def contextual_effects_predictive_log_prob(sigma_a, eps_a, gamma_0, gamma_1,
                                           gamma_2, b, sigma_y, stl_pred):
  """Computes joint log prob pinned at `log_radon`."""
  return contextual_effects_predictive_model(floor, county, log_uranium, xbar,
                                             st_louis_log_uranium,
                                             st_louis_xbar).log_prob([
                                                 sigma_a, eps_a, gamma_0,
                                                 gamma_1, gamma_2, b, sigma_y,
                                                 log_radon, stl_pred
                                             ])
@tf.function
def sample_contextual_effects_predictive(num_chains, num_results,
                                         num_burnin_steps):
  """Samples from the contextual effects predictive model."""
  hmc = tfp.mcmc.HamiltonianMonteCarlo(
      target_log_prob_fn=contextual_effects_predictive_log_prob,
      num_leapfrog_steps=50,
      step_size=0.01)

  initial_state = [
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_a'),
      tf.zeros([num_chains, num_counties], name='eps_a'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_0'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_1'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_gamma_2'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_b'),
      tf.ones([num_chains], name='init_sigma_y'),
      tf.zeros([num_chains], name='init_stl_pred')
  ]
  unconstraining_bijectors = [
      tfb.Exp(),       # sigma_a
      tfb.Identity(),  # eps_a
      tfb.Identity(),  # gamma_0
      tfb.Identity(),  # gamma_1
      tfb.Identity(),  # gamma_2
      tfb.Identity(),  # b
      tfb.Chain([tfb.Shift(shift=50.),
                 tfb.Scale(scale=50.),
                 tfb.Tanh()]),  # sigma_y
      tfb.Identity(),  # stl_pred
  ]
  kernel = tfp.mcmc.TransformedTransitionKernel(
      inner_kernel=hmc, bijector=unconstraining_bijectors)
  samples, kernel_results = tfp.mcmc.sample_chain(
      num_results=num_results,
      num_burnin_steps=num_burnin_steps,
      current_state=initial_state,
      kernel=kernel)

  acceptance_probs = tf.reduce_mean(
      tf.cast(kernel_results.inner_results.is_accepted, tf.float32), axis=0)

  return samples, acceptance_probs
ContextualEffectsPredictiveModel = collections.namedtuple(
    'ContextualEffectsPredictiveModel', [
        'sigma_a', 'eps_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'gamma_2', 'b', 'sigma_y',
        'stl_pred'
    ])

samples, acceptance_probs = sample_contextual_effects_predictive(
    num_chains=4, num_results=2000, num_burnin_steps=500)
print('Acceptance Probabilities: ', acceptance_probs.numpy())
contextual_effects_pred_samples = ContextualEffectsPredictiveModel._make(
    samples)
Acceptance Probabilities:  [0.9165 0.978  0.9755 0.9785]
for var in [
    'sigma_a', 'gamma_0', 'gamma_1', 'gamma_2', 'b', 'sigma_y', 'stl_pred'
]:
  print(
      'R-hat for ', var, ': ',
      tfp.mcmc.potential_scale_reduction(
          getattr(contextual_effects_pred_samples, var)).numpy())
R-hat for  sigma_a :  1.0325582
R-hat for  gamma_0 :  1.0033548
R-hat for  gamma_1 :  1.0011047
R-hat for  gamma_2 :  1.001153
R-hat for  b :  1.0020066
R-hat for  sigma_y :  1.0128921
R-hat for  stl_pred :  1.0058256
plot_traces('stl_pred', contextual_effects_pred_samples.stl_pred, num_chains=4)

png

plot_posterior('stl_pred', contextual_effects_pred_samples.stl_pred)

png

7. Conclusions

Avantages des modèles multiniveaux :

  • Prise en compte de la structure hiérarchique naturelle des données d'observation.
  • Estimation des coefficients pour les groupes (sous-représentés).
  • Incorporer des informations au niveau individuel et au niveau du groupe lors de l'estimation des coefficients au niveau du groupe.
  • Permettre la variation des coefficients au niveau individuel entre les groupes.

Les références

Gelman, A., & Hill, J. (2006). Analyse de données à l'aide de modèles de régression et multiniveaux/hiérarchiques (1ère éd.). La presse de l'Universite de Cambridge.

Gelman, A. (2006). Modélisation à plusieurs niveaux (hiérarchique) : ce qu'elle peut et ne peut pas faire. Technométrie, 48(3), 432-435.