UPDATE: 2023-12-16 11:27:32.615089

はじめに

このノートは「StanとRでベイズ統計モデリング」の内容を写経することで、ベイズ統計への理解を深めていくために作成している。

基本的には気になった部分を写経しながら、ところどころ自分用の補足をメモすることで、「StanとRでベイズ統計モデリング」を読み進めるための自分用の補足資料になることを目指す。私の解釈がおかしく、メモが誤っている場合があるので注意。

今回は第5章「基本的な回帰とモデルのチェック」のチャプターの後半(ロジスティック回帰、ポアソン回帰の部分)を写経していく。

5.2.3 メカニズムの想像

第5章の後半では一般化線形モデルを扱う。まずは二項ロジスティック回帰モデル。目的変数はretio=Y/M=出席回数/授業総回数である。

二項ロジスティック回帰モデルは予測値が(0,1)の範囲を超えないように(-∞,+∞)の範囲で値を取る説明変数を変換する必要がある。一般的にはロジスティック関数\(1/\{1 + exp(-x)\}\)を利用する。ロジスティック関数はロジット関数の逆関数なので、inverse_logitと表記されることもある。

出席確率\(q\)は、線形結合\(b_{1} + b_{2}A[n] + b_{3}Score[n]\)をロジスティック関数で変換することで決まり、その\(q\)をもとに\(M,q\)をパラメタとする二項分布に従って\(Y\)が生成されると仮定する。

モデル5-4

\[ \begin{eqnarray} q[n] &=& inv\_logit(b_{1} + b_{2}A[n] + b_{3}Score[n]) \\ Y[n] &\sim& Binomial(M[n], q[n]) \end{eqnarray} \]

5.2.5 Stanで実装

モデル5-4をStanで実装した例は下記の通り。1人の学生ごとに\(inv\_logit(b_{1} + b_{2}A[n] + b_{3}Score[n])\)によって変換されるq[n]M[n]をパラメタとして持つ二項分布からY[n]が生成されると仮定している。

data {
  int N;
  int<lower=0, upper=1> A[N];
  real<lower=0, upper=1> Score[N];
  int<lower=0> M[N];
  int<lower=0> Y[N];
}

parameters {
  real b1;
  real b2;
  real b3;
}

transformed parameters {
  real q[N];
  for (n in 1:N){
    q[n] = inv_logit(b1 + b2*A[n] + b3*Score[n]);
  }
}

model {
  for (n in 1:N){
    Y[n] ~ binomial(M[n], q[n]);
  }
}

generated quantities {
  real y_pred[N];
  for (n in 1:N)
    y_pred[n] = binomial_rng(M[n], q[n]);
}

Stanモデルの定義も終わっているので、書籍内で使用されているデータを利用して分析を実行する。

# パラメタの事後分布をすべて表示するため
# ロジスティック回帰では出席ごとの約2000行のデータを扱うので、
# パラメタの数が非常に多いが、紙面でもないので、全部表示しておく。
options(max.print = 999999)
library(dplyr)
library(ggplot2)
library(rstan)

d <- read.csv('https://raw.githubusercontent.com/MatsuuraKentaro/RStanBook/master/chap05/input/data-attendance-2.txt')
data <- list(N = nrow(d), A = d$A, Score = d$Score/200, M = d$M, Y = d$Y)
head(data)
## $N
## [1] 50
## 
## $A
##  [1] 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0
## [39] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
## 
## $Score
##  [1] 0.345 0.725 0.625 0.430 0.790 0.665 0.555 0.735 0.730 0.725 0.705 0.685
## [13] 0.590 0.555 0.545 0.495 0.570 0.410 0.925 0.780 0.430 0.540 0.530 0.715
## [25] 0.585 0.640 0.595 0.595 0.805 0.565 0.825 0.370 0.690 0.620 0.630 0.655
## [37] 0.525 0.550 0.445 0.440 0.645 0.665 0.610 0.740 0.910 0.525 0.255 0.750
## [49] 0.495 0.495
## 
## $M
##  [1] 43 56 32 45 33 61 49 76 78 64 34 44 53 40 56 59 38 45 45 77 70 77 63 68 50
## [26] 51 29 37 18 49 75 12 23 37 59 55 88 47 22 41 57 32 53 31 23 51 22 38 23 67
## 
## $Y
##  [1] 38 40 24 33 23 60 35 47 63 57 18 30 33 28 46 37 27 28 43 50 31 49 38 45 37
## [26] 34 21 26 17 40 58 11 18 28 39 51 55 30 18 26 46 26 36 24 22 34 10 29 20 43

ここでは、stan_model()関数で最初にコンパイルしておいてから、

model525 <- stan_model('note_ahirubayes03.stan')

sampling()関数でサンプリングする。

fit <- sampling(object = model525, data = data, seed = 1234)

パラメタの解釈はオッズとなるため注意が必要。

\[ \begin{eqnarray} q[n] &=& inv\_logit(X) \\ &=& \frac{1}{1+exp(-X)} \\ \end{eqnarray} \]

さらに変化を進めるとオッズが出てくる。

\[ \begin{eqnarray} \frac{q}{1-q} &=& exp(-X)\\ \end{eqnarray} \]

推定結果は下記の通り。

print(fit, prob = c(0.025, 0.5, 0.975), digits_summary = 1)
## Inference for Stan model: anon_model.
## 4 chains, each with iter=2000; warmup=1000; thin=1; 
## post-warmup draws per chain=1000, total post-warmup draws=4000.
## 
##               mean se_mean  sd    2.5%     50%   97.5% n_eff Rhat
## b1             0.1     0.0 0.2    -0.3     0.1     0.5  1333    1
## b2            -0.6     0.0 0.1    -0.8    -0.6    -0.4  1646    1
## b3             1.9     0.0 0.4     1.2     1.9     2.6  1379    1
## q[1]           0.7     0.0 0.0     0.6     0.7     0.7  1415    1
## q[2]           0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  2135    1
## q[3]           0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2382    1
## q[4]           0.6     0.0 0.0     0.5     0.6     0.6  1705    1
## q[5]           0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1854    1
## q[6]           0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2306    1
## q[7]           0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2121    1
## q[8]           0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  2083    1
## q[9]           0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2050    1
## q[10]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2070    1
## q[11]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  2249    1
## q[12]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2233    1
## q[13]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.7  2533    1
## q[14]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2121    1
## q[15]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2060    1
## q[16]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.6  1954    1
## q[17]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2210    1
## q[18]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  1510    1
## q[19]          0.9     0.0 0.0     0.8     0.9     0.9  1612    1
## q[20]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1888    1
## q[21]          0.6     0.0 0.0     0.5     0.6     0.6  1705    1
## q[22]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.7  2225    1
## q[23]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.6  2159    1
## q[24]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  2191    1
## q[25]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.7  2509    1
## q[26]          0.7     0.0 0.0     0.6     0.7     0.7  2582    1
## q[27]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2326    1
## q[28]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2326    1
## q[29]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.9  1812    1
## q[30]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2181    1
## q[31]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1755    1
## q[32]          0.5     0.0 0.0     0.5     0.5     0.6  1581    1
## q[33]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.7  2339    1
## q[34]          0.7     0.0 0.0     0.6     0.7     0.7  2607    1
## q[35]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2380    1
## q[36]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2336    1
## q[37]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.6  2127    1
## q[38]          0.8     0.0 0.0     0.7     0.8     0.8  2090    1
## q[39]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1612    1
## q[40]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1595    1
## q[41]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2360    1
## q[42]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2306    1
## q[43]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2371    1
## q[44]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  2012    1
## q[45]          0.9     0.0 0.0     0.8     0.9     0.9  1629    1
## q[46]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1947    1
## q[47]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.7  1366    1
## q[48]          0.8     0.0 0.0     0.8     0.8     0.8  1976    1
## q[49]          0.7     0.0 0.0     0.7     0.7     0.8  1801    1
## q[50]          0.6     0.0 0.0     0.6     0.6     0.6  1954    1
## y_pred[1]     29.1     0.1 3.3    23.0    29.0    35.0  3580    1
## y_pred[2]     39.4     0.1 3.5    32.0    39.0    46.0  3867    1
## y_pred[3]     25.1     0.0 2.4    20.0    25.0    29.0  3568    1
## y_pred[4]     25.7     0.1 3.4    19.0    26.0    32.0  3601    1
## y_pred[5]     23.9     0.0 2.6    19.0    24.0    29.0  3532    1
## y_pred[6]     48.6     0.1 3.2    42.0    49.0    55.0  3614    1
## y_pred[7]     37.2     0.1 3.1    31.0    37.0    43.0  3751    1
## y_pred[8]     53.5     0.1 4.2    45.0    54.0    61.0  3598    1
## y_pred[9]     63.5     0.1 3.6    56.0    64.0    70.0  3800    1
## y_pred[10]    52.0     0.1 3.2    45.0    52.0    58.0  3671    1
## y_pred[11]    23.5     0.0 2.7    18.0    24.0    29.0  4042    1
## y_pred[12]    35.2     0.0 2.7    30.0    35.0    40.0  3779    1
## y_pred[13]    34.2     0.1 3.5    27.0    34.0    41.0  3537    1
## y_pred[14]    30.4     0.0 2.7    25.0    30.0    35.0  4000    1
## y_pred[15]    42.3     0.1 3.3    35.0    42.0    49.0  3727    1
## y_pred[16]    35.6     0.1 4.0    28.0    36.0    43.0  3674    1
## y_pred[17]    29.0     0.0 2.7    24.0    29.0    34.0  3772    1
## y_pred[18]    31.7     0.1 3.2    25.0    32.0    38.0  3470    1
## y_pred[19]    38.8     0.0 2.5    34.0    39.0    43.0  3488    1
## y_pred[20]    55.6     0.1 4.2    47.0    56.0    64.0  3383    1
## y_pred[21]    40.2     0.1 4.4    32.0    40.0    49.0  3479    1
## y_pred[22]    48.1     0.1 4.4    39.0    48.0    56.0  4017    1
## y_pred[23]    39.0     0.1 4.0    31.0    39.0    47.0  3845    1
## y_pred[24]    47.3     0.1 3.9    39.0    47.0    55.0  3991    1
## y_pred[25]    32.0     0.1 3.5    25.0    32.0    39.0  3618    1
## y_pred[26]    33.9     0.1 3.5    27.0    34.0    40.0  3982    1
## y_pred[27]    22.4     0.0 2.3    18.0    23.0    27.0  3938    1
## y_pred[28]    28.5     0.0 2.6    23.0    29.0    33.0  3799    1
## y_pred[29]    15.0     0.0 1.6    12.0    15.0    18.0  3692    1
## y_pred[30]    37.4     0.0 3.1    31.0    38.0    43.0  4055    1
## y_pred[31]    55.5     0.1 4.0    47.0    56.0    63.0  3385    1
## y_pred[32]     6.6     0.0 1.8     3.0     7.0    10.0  3780    1
## y_pred[33]    15.8     0.0 2.2    11.0    16.0    20.0  3862    1
## y_pred[34]    24.4     0.0 2.9    19.0    24.0    30.0  3935    1
## y_pred[35]    46.2     0.1 3.3    40.0    46.0    52.0  3764    1
## y_pred[36]    43.5     0.0 3.1    37.0    44.0    49.0  3950    1
## y_pred[37]    54.2     0.1 4.8    44.0    54.0    63.0  3701    1
## y_pred[38]    35.6     0.0 3.0    29.0    36.0    41.0  3883    1
## y_pred[39]    15.8     0.0 2.2    11.0    16.0    20.0  3600    1
## y_pred[40]    29.4     0.0 3.0    23.0    30.0    35.0  3709    1
## y_pred[41]    45.0     0.1 3.2    38.0    45.0    51.0  3901    1
## y_pred[42]    25.5     0.0 2.3    21.0    26.0    30.0  4143    1
## y_pred[43]    41.3     0.1 3.1    35.0    41.0    47.0  3729    1
## y_pred[44]    25.3     0.0 2.2    21.0    25.0    29.0  4191    1
## y_pred[45]    19.8     0.0 1.7    16.0    20.0    23.0  3699    1
## y_pred[46]    38.1     0.0 3.1    32.0    38.0    44.0  3897    1
## y_pred[47]    14.1     0.0 2.3    10.0    14.0    18.0  3552    1
## y_pred[48]    31.1     0.0 2.4    26.0    31.0    35.0  4030    1
## y_pred[49]    17.0     0.0 2.2    13.0    17.0    21.0  3790    1
## y_pred[50]    40.3     0.1 4.2    32.0    40.0    48.0  3827    1
## lp__       -1389.4     0.0 1.2 -1392.6 -1389.0 -1388.0  1477    1
## 
## Samples were drawn using NUTS(diag_e) at Sat Dec 16 11:27:57 2023.
## For each parameter, n_eff is a crude measure of effective sample size,
## and Rhat is the potential scale reduction factor on split chains (at 
## convergence, Rhat=1).

5.2.7 図によるモデルのチェック

二項ロジステイック回帰でも重回帰のときと同様に、各学生ごとに観測値と予測分布の散布図を書くことでモデルの予測性能の良し悪しを確認できる。ms$y_predにはMCMCサンプル数4000行、学生50人分の予測分布が保存されているので、パーセンタイルを計算して可視化する。書籍の図にfacet_grid(~A)を追加しているが、A=0の場合、観測値が大きいところで、予測分布がy=xを含まないケースが多い模様。

ms <- rstan::extract(fit)

qua <- apply(ms$y_pred, 2, quantile, prob = c(0.1, 0.5, 0.9))
d_est <- data.frame(d, t(qua), check.names = FALSE)
d_est$A <- as.factor(d_est$A)
ggplot(data = d_est, aes(x = Y, y = `50%`, ymin = `10%`, ymax = `90%`, shape = A, fill = A)) +
  theme_bw(base_size = 18) + theme(legend.key.height = grid::unit(2.5,'line')) +
  coord_fixed(ratio = 1, xlim = c(5, 70), ylim = c(5, 70)) +
  geom_pointrange(size = 0.5, color = 'grey5') +
  geom_abline(aes(slope = 1, intercept = 0), color = 'black', alpha = 3/5, linetype = 'dashed') +
  scale_shape_manual(values = c(21, 24)) +
  scale_fill_manual(values = c('white', 'grey70')) +
  labs(x = 'Observed', y = 'Predicted') +
  scale_x_continuous(breaks = seq(from = 0, to = 70, by = 20)) +
  scale_y_continuous(breaks = seq(from = 0, to = 70, by = 20)) +
  facet_grid(~ A)

5.3.5 モデル式の記述

次はロジスティック回帰モデルを扱う。使用されているデータは学生ごとに集計されたものではなく、1出席ごとに情報が記録されているデータ。

出席1行ごとに独立に確率分布から生成され、出席確率\(q\)は、線形結合\(b_{1} + b_{2}A[n] + b_{3}Score[n] + b_{4}Weather[i]\)をロジスティック関数で変換することで決まり、その\(q\)をパラメタとするベルヌイ分布に従って\(Y\)が生成されると仮定する。

モデル5-5

\[ \begin{eqnarray} q[i] &=& inv\_logit(b_{1} + b_{2}A[i] + b_{3}Score[i] + b_{4}Weather[i]) \\ Y[i] &\sim& Bernoulli(q[i]) \end{eqnarray} \]

書籍でも指摘されているように、学生の出席行動が考慮されていないため、この仮定をおくことは少し無理がある。

data {
  int I;
  int<lower=0, upper=1> A[I];
  real<lower=0, upper=1> Score[I];
  real<lower=0, upper=1> W[I];
  int<lower=0, upper=1> Y[I];
}

parameters {
  real b[4];
}

transformed parameters {
  real q[I];
  for (i in 1:I){
    q[i] = inv_logit(b[1] + b[2]*A[i] + b[3]*Score[i] + b[4]*W[i]);
  }
}

model {
  for (i in 1:I){
    Y[i] ~ bernoulli(q[i]);
  }
}

Stanモデルの定義も終わっているので、書籍内で使用されているデータを利用して分析を実行する。

d <- read.csv('https://raw.githubusercontent.com/MatsuuraKentaro/RStanBook/master/chap05/input/data-attendance-3.txt')
conv <- c(0, 0.2, 1)
names(conv) <- c('A', 'B', 'C')
data <- list(I = nrow(d), A = d$A, Score = d$Score/200, W = conv[d$Weather], Y = d$Y)
str(data)
## List of 5
##  $ I    : int 2396
##  $ A    : int [1:2396] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...
##  $ Score: num [1:2396] 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 0.345 ...
##  $ W    : Named num [1:2396] 0.2 0 1 0 0.2 0.2 1 0.2 0 0 ...
##   ..- attr(*, "names")= chr [1:2396] "B" "A" "C" "A" ...
##  $ Y    : int [1:2396] 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 ...

ここでは、stan_model()関数で最初にコンパイルしておいてから、

model535 <- stan_model('note_ahirubayes031.stan')

sampling()関数でサンプリングする。

fit <- sampling(object = model535, data = data, seed = 1234)

推定結果はこちら。

print(fit, prob = c(0.025, 0.5, 0.975), digits_summary = 1)
## Inference for Stan model: anon_model.
## 4 chains, each with iter=2000; warmup=1000; thin=1; 
## post-warmup draws per chain=1000, total post-warmup draws=4000.
## 
##            mean se_mean  sd    2.5%     50%   97.5% n_eff Rhat
## b[1]        0.2       0 0.2    -0.3     0.2     0.6  1722    1
## b[2]       -0.6       0 0.1    -0.8    -0.6    -0.4  2657    1
## b[3]        2.0       0 0.4     1.2     2.0     2.6  1697    1
## b[4]       -0.5       0 0.1    -0.7    -0.5    -0.2  2550    1
## q[1]        0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[2]        0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[3]        0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[4]        0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[5]        0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[6]        0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[7]        0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[8]        0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[9]        0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[10]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[11]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[12]       0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[13]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[14]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[15]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[16]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[17]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[18]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[19]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[20]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[21]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[22]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[23]       0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[24]       0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[25]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[26]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[27]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[28]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[29]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[30]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[31]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[32]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[33]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[34]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[35]       0.6       0 0.0     0.5     0.6     0.7  2309    1
## q[36]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[37]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[38]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[39]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[40]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[41]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  1925    1
## q[42]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[43]       0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  1934    1
## q[44]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[45]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[46]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[47]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[48]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[49]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[50]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[51]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[52]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[53]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[54]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[55]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[56]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[57]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[58]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[59]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[60]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[61]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[62]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[63]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[64]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[65]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[66]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[67]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[68]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[69]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[70]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[71]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[72]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[73]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[74]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[75]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.7  2763    1
## q[76]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
## q[77]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[78]       0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2863    1
## q[79]       0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2439    1
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## q[1940]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2173    1
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## q[2310]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2311]     0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  2680    1
## q[2312]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2313]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2314]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2315]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2417    1
## q[2316]     0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  2680    1
## q[2317]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2417    1
## q[2318]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2319]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2320]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2417    1
## q[2321]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2322]     0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  2680    1
## q[2323]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2324]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2325]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2417    1
## q[2326]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2327]     0.7       0 0.0     0.6     0.7     0.7  2680    1
## q[2328]     0.7       0 0.0     0.7     0.7     0.8  2417    1
## q[2329]     0.8       0 0.0     0.7     0.8     0.8  2376    1
## q[2330]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2331]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2332]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2333]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2334]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2335]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2336]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2337]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2338]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2339]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2340]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2341]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2342]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2343]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2344]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2345]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2346]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2347]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2348]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2349]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2350]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2351]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2352]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2353]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2354]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2355]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2356]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2357]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2358]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2359]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2360]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2361]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2362]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2363]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2364]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2365]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2366]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2367]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2368]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2369]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2370]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2371]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2372]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2373]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2374]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2375]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2376]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2377]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2378]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2379]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2380]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2381]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2382]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2383]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2384]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2385]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2386]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2387]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2388]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2389]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2390]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2391]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2392]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.6  2393    1
## q[2393]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2394]     0.6       0 0.0     0.6     0.6     0.7  2430    1
## q[2395]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## q[2396]     0.5       0 0.0     0.5     0.5     0.6  2520    1
## lp__    -1383.1       0 1.4 -1386.7 -1382.8 -1381.3  1381    1
## 
## Samples were drawn using NUTS(diag_e) at Sat Dec 16 11:28:56 2023.
## For each parameter, n_eff is a crude measure of effective sample size,
## and Rhat is the potential scale reduction factor on split chains (at 
## convergence, Rhat=1).

5.3.7 図によるモデルのチェック

このモデルではb[4]という形でベータをベクトルで指定したため、いつもと保存のされ方が異なり、列ごとに各ベータのMCMCサンプルが保存されている。

ms <- rstan::extract(fit)
logistic <- function(x) 1/(1+exp(-x))
head(ms$b)
##           
## iterations      [,1]       [,2]     [,3]       [,4]
##       [1,] 0.4011064 -0.7704119 1.835581 -0.3731301
##       [2,] 0.2282584 -0.5073692 1.762074 -0.2858938
##       [3,] 0.1444727 -0.4860878 1.747094 -0.4125683
##       [4,] 0.6334529 -0.5326488 1.130849 -0.4021637
##       [5,] 0.2876625 -0.7349331 1.927794 -0.4415133
##       [6,] 0.3439009 -0.6568404 1.878428 -0.5201553

書籍の条件通り、アルバイトが好きではないA=0、晴れW=0よりb2,b4は計算に含める必要がない。あとはスコア1点ごとに、各ベータの値4000個すべてを利用してq_mcmcを計算し、パーセンタイルを計算する。これをスコアの長さ分、繰り返す。

X <- 30:200
# 1:length(X)は1-171を返すが、スケーリングしているため、1が30に対応することになる
q_qua <- logistic(t(
  sapply(1:length(X), function(i) {
    q_mcmc <- ms$b[,1] + ms$b[,3]*X[i]/200
    quantile(q_mcmc, probs = c(0.1, 0.5, 0.9))}
  )
))
d_est <- data.frame(X, q_qua, check.names = FALSE)
d$A <- as.factor(d$A)

ggplot(d_est, aes(x = X, y = `50%`)) +
  theme_bw(base_size = 18) +
  geom_ribbon(aes(ymin = `10%`, ymax = `90%`), fill = 'black', alpha = 2/6) +
  geom_line(size = 1) +
  geom_point(data = subset(d, A == 0 & Weather == 'A'), aes(x = Score, y = Y, color = A),
             position = position_jitter(w = 0, h = 0.1), size = 0.5) +
  labs(x = 'Score', y = 'q') +
  scale_color_manual(values = c('black')) +
  scale_y_continuous(breaks = seq(0, 1, 0.2)) +
  xlim(30, 200)

観測値と予測分布の散布図に似ている図は01のデータでは扱いにくい。そのため、バイオリンプロットを利用した作図が提案されている。横軸はq[i]の事後分布の中央値、縦軸にY[i]を取るプロットのこと。q[i]が小さい時は、Y=0に点が集中し、q[i]が大きい時は、Y=1に点が集中すれば、モデルの予測が上手くできていると考えることが可能。ms$qにはMCMCサンプル4000行、2396出席ごとのqが列として保存されているため、これを利用する。

qua <- apply(ms$q, 2, quantile, prob = c(0.1, 0.5, 0.9))
d_est <- data.frame(d, t(qua), check.names = FALSE)
d_est$Y <- as.factor(d_est$Y)
d_est$A <- as.factor(d_est$A)

ggplot(data = d_est, aes(x = Y, y = `50%`)) +
  theme_bw(base_size = 18) +
  coord_flip() +
  geom_violin(trim = FALSE, size = 1, color = 'grey80') +
  geom_point(aes(color = A), position = position_jitter(w = 0.3, h = 0), size = 0.5) +
  scale_color_manual(values = c('grey5', 'grey50')) +
  labs(x = 'Y', y = 'q')

5.4.1 メカニズムの想像

次はポアソン回帰モデルを扱う。使用されているデータは学生ごとに集計されたデータで、二項ロジスティック回帰モデルの時に使用したデータ。

総授業回数\(M\)に与えるアルバイトやスコアの関係性を分析する。この時に問題となるのは、総授業回数\(M\)はマイナスを取ることはないため、総授業回数\(M\)がマイナスを取らないように指数変換を行う。つまり、説明変数の線形結合を0以上の範囲に変換し、平均授業回数\(\lambda\)を決める。そして、平均授業回数\(\lambda\)をパラメタとするポアソン分布に従って、総授業回数\(M\)が生成されたと仮定する。

5.4.2 モデル式の記述

1人の学生ごとに独立に総授業回数\(M[n]\)\(\lambda[n]\)を持つポアソン分布から生成されたと仮定する。

モデル5-6

\[ \begin{eqnarray} \lambda[n] &=& exp(b_{1} + b_{2}A[n] + b_{3}Score[n]) \\ M[n] &\sim& Poisson(\lambda[n]) \end{eqnarray} \]

上記のモデルをStanファイルに記述する。

data {
  int N;
  int<lower=0, upper=1> A[N];
  real<lower=0, upper=1> Score[N];
  int<lower=0> M[N];
}

parameters {
  real b[3];
}

transformed parameters {
  real lambda[N];
  for (n in 1:N){
    lambda[n] = exp(b[1] + b[2]*A[n] + b[3]*Score[n]);
  }
}

model {
  for (n in 1:N){
    M[n] ~ poisson(lambda[n]);
  }
}

generated quantities {
  real m_pred[N];
  for (n in 1:N)
    m_pred[n] = poisson_rng(lambda[n]);
}

Stanモデルの定義も終わっているので、書籍内で使用されているデータを利用して分析を実行する。

d <- read.csv('https://raw.githubusercontent.com/MatsuuraKentaro/RStanBook/master/chap05/input/data-attendance-2.txt')
data <- list(N = nrow(d), A = d$A, Score = d$Score/200, M = d$M)
str(data)
## List of 4
##  $ N    : int 50
##  $ A    : int [1:50] 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 ...
##  $ Score: num [1:50] 0.345 0.725 0.625 0.43 0.79 0.665 0.555 0.735 0.73 0.725 ...
##  $ M    : int [1:50] 43 56 32 45 33 61 49 76 78 64 ...

ここでは、stan_model()関数で最初にコンパイルしておいてから、

model542 <- stan_model('note_ahirubayes032.stan')

sampling()関数でサンプリングする。

fit <- sampling(object = model542, data = data, seed = 1234)

推定結果はこちら。ベータは指数変換をして解釈することになるので、アルバイトの好き嫌いを表す\(b[2]\)は、\(exp(0.26)=1.16\)倍となる。つまり、アルバイトが好きな学生の総授業回数\(M\)は、そうではない学生に比べて1.16倍多い。

print(fit, prob = c(0.025, 0.5, 0.975), digits_summary = 1)
## Inference for Stan model: anon_model.
## 4 chains, each with iter=2000; warmup=1000; thin=1; 
## post-warmup draws per chain=1000, total post-warmup draws=4000.
## 
##              mean se_mean  sd   2.5%    50%  97.5% n_eff Rhat
## b[1]          3.6     0.0 0.1    3.4    3.6    3.7  1362    1
## b[2]          0.3     0.0 0.0    0.2    0.3    0.3  1533    1
## b[3]          0.3     0.0 0.1    0.0    0.3    0.6  1379    1
## lambda[1]    39.6     0.0 1.9   35.9   39.5   43.3  1455    1
## lambda[2]    57.6     0.0 1.9   53.8   57.6   61.5  2230    1
## lambda[3]    42.9     0.0 1.2   40.6   42.9   45.3  2378    1
## lambda[4]    52.8     0.1 2.1   48.6   52.8   57.1  1767    1
## lambda[5]    58.7     0.1 2.3   54.3   58.7   63.5  1961    1
## lambda[6]    43.5     0.0 1.3   40.9   43.5   46.0  2444    1
## lambda[7]    42.1     0.0 1.2   39.6   42.1   44.5  2023    1
## lambda[8]    57.8     0.0 2.0   53.8   57.8   61.8  2184    1
## lambda[9]    44.3     0.0 1.5   41.5   44.3   47.2  2263    1
## lambda[10]   44.2     0.0 1.4   41.4   44.2   47.1  2283    1
## lambda[11]   57.3     0.0 1.9   53.7   57.3   61.0  2323    1
## lambda[12]   43.7     0.0 1.3   41.1   43.7   46.3  2420    1
## lambda[13]   55.3     0.0 1.7   52.2   55.3   58.7  2458    1
## lambda[14]   42.1     0.0 1.2   39.6   42.1   44.5  2023    1
## lambda[15]   41.9     0.0 1.3   39.5   41.9   44.4  1969    1
## lambda[16]   53.8     0.0 1.9   50.2   53.8   57.6  2000    1
## lambda[17]   42.2     0.0 1.2   39.9   42.2   44.7  2106    1
## lambda[18]   40.3     0.0 1.6   37.2   40.3   43.5  1531    1
## lambda[19]   47.0     0.1 2.5   42.3   46.9   52.1  1718    1
## lambda[20]   58.6     0.1 2.2   54.2   58.5   63.2  1997    1
## lambda[21]   52.8     0.1 2.1   48.6   52.8   57.1  1767    1
## lambda[22]   54.5     0.0 1.7   51.1   54.5   58.0  2221    1
## lambda[23]   54.4     0.0 1.8   51.0   54.4   57.9  2169    1
## lambda[24]   57.4     0.0 1.9   53.8   57.4   61.2  2277    1
## lambda[25]   55.3     0.0 1.7   52.1   55.2   58.6  2439    1
## lambda[26]   56.2     0.0 1.7   52.9   56.2   59.6  2531    1
## lambda[27]   42.6     0.0 1.2   40.2   42.6   44.9  2244    1
## lambda[28]   42.6     0.0 1.2   40.2   42.6   44.9  2244    1
## lambda[29]   45.3     0.0 1.8   41.9   45.3   48.9  1983    1
## lambda[30]   42.2     0.0 1.2   39.8   42.2   44.6  2078    1
## lambda[31]   59.4     0.1 2.5   54.6   59.3   64.5  1853    1
## lambda[32]   51.9     0.1 2.4   47.2   51.9   56.9  1637    1
## lambda[33]   57.0     0.0 1.8   53.5   57.0   60.6  2389    1
## lambda[34]   55.8     0.0 1.7   52.6   55.8   59.2  2531    1
## lambda[35]   43.0     0.0 1.2   40.6   43.0   45.4  2395    1
## lambda[36]   43.3     0.0 1.2   40.8   43.3   45.8  2441    1
## lambda[37]   54.3     0.0 1.8   50.9   54.3   57.9  2144    1
## lambda[38]   42.0     0.0 1.2   39.6   42.0   44.5  1996    1
## lambda[39]   40.7     0.0 1.5   37.8   40.7   43.7  1597    1
## lambda[40]   40.7     0.0 1.5   37.7   40.6   43.7  1586    1
## lambda[41]   43.2     0.0 1.2   40.7   43.2   45.7  2430    1
## lambda[42]   43.5     0.0 1.3   40.9   43.5   46.0  2444    1
## lambda[43]   42.7     0.0 1.2   40.4   42.8   45.1  2318    1
## lambda[44]   44.4     0.0 1.5   41.5   44.4   47.4  2223    1
## lambda[45]   46.8     0.1 2.4   42.2   46.7   51.7  1741    1
## lambda[46]   41.7     0.0 1.3   39.1   41.7   44.2  1869    1
## lambda[47]   38.5     0.1 2.3   34.2   38.5   43.0  1405    1
## lambda[48]   44.6     0.0 1.5   41.6   44.6   47.7  2183    1
## lambda[49]   41.3     0.0 1.4   38.7   41.3   44.0  1744    1
## lambda[50]   53.8     0.0 1.9   50.2   53.8   57.6  2000    1
## m_pred[1]    39.7     0.1 6.6   28.0   40.0   53.0  3428    1
## m_pred[2]    57.7     0.1 7.8   43.0   57.0   73.0  3347    1
## m_pred[3]    42.9     0.1 6.6   31.0   43.0   57.0  3813    1
## m_pred[4]    52.8     0.1 7.4   39.0   53.0   67.0  3313    1
## m_pred[5]    58.8     0.1 8.1   43.0   59.0   75.0  3685    1
## m_pred[6]    43.4     0.1 6.8   31.0   43.0   57.0  3972    1
## m_pred[7]    42.0     0.1 6.5   30.0   42.0   55.0  3845    1
## m_pred[8]    57.8     0.1 7.9   43.0   58.0   74.0  3871    1
## m_pred[9]    44.4     0.1 6.8   31.0   44.0   59.0  3734    1
## m_pred[10]   44.2     0.1 6.8   31.0   44.0   58.0  3650    1
## m_pred[11]   57.3     0.1 7.8   43.0   57.0   73.0  3587    1
## m_pred[12]   43.6     0.1 6.8   31.0   43.0   57.0  3958    1
## m_pred[13]   55.2     0.1 7.7   41.0   55.0   71.0  3539    1
## m_pred[14]   42.1     0.1 6.6   30.0   42.0   55.0  4123    1
## m_pred[15]   42.0     0.1 6.6   30.0   42.0   55.0  3682    1
## m_pred[16]   53.9     0.1 7.6   40.0   54.0   69.0  3882    1
## m_pred[17]   42.3     0.1 6.6   30.0   42.0   55.0  3950    1
## m_pred[18]   40.4     0.1 6.6   28.0   40.0   54.0  3782    1
## m_pred[19]   46.9     0.1 7.4   33.0   47.0   62.0  3466    1
## m_pred[20]   58.7     0.1 8.0   44.0   59.0   75.0  3918    1
## m_pred[21]   53.0     0.1 7.4   39.0   53.0   68.0  3353    1
## m_pred[22]   54.7     0.1 7.5   40.0   54.0   70.0  3764    1
## m_pred[23]   54.6     0.1 7.6   40.0   54.0   70.0  3760    1
## m_pred[24]   57.4     0.1 8.0   42.0   57.0   74.0  4078    1
## m_pred[25]   55.5     0.1 7.6   41.0   55.0   70.0  3890    1
## m_pred[26]   56.3     0.1 7.8   42.0   56.0   72.0  3624    1
## m_pred[27]   42.7     0.1 6.7   30.0   43.0   56.0  4071    1
## m_pred[28]   42.6     0.1 6.6   30.0   42.0   56.0  3881    1
## m_pred[29]   45.4     0.1 6.9   32.0   45.0   59.0  3707    1
## m_pred[30]   42.2     0.1 6.7   30.0   42.0   56.0  4057    1
## m_pred[31]   59.3     0.1 8.1   44.0   59.0   76.0  3761    1
## m_pred[32]   51.8     0.1 7.5   37.0   52.0   67.0  3457    1
## m_pred[33]   57.2     0.1 7.9   42.0   57.0   73.0  3775    1
## m_pred[34]   55.7     0.1 7.7   41.0   55.0   72.0  3951    1
## m_pred[35]   43.0     0.1 6.7   30.0   43.0   57.0  3803    1
## m_pred[36]   43.4     0.1 6.7   31.0   43.0   57.0  3744    1
## m_pred[37]   54.6     0.1 7.6   40.0   54.0   70.0  3566    1
## m_pred[38]   41.9     0.1 6.5   30.0   42.0   55.0  4074    1
## m_pred[39]   40.8     0.1 6.6   28.0   40.0   54.0  3690    1
## m_pred[40]   40.9     0.1 6.6   29.0   41.0   55.0  3839    1
## m_pred[41]   43.3     0.1 6.7   30.0   43.0   57.0  4042    1
## m_pred[42]   43.3     0.1 6.7   31.0   43.0   57.0  3830    1
## m_pred[43]   42.8     0.1 6.7   31.0   42.0   56.0  3651    1
## m_pred[44]   44.3     0.1 6.9   31.0   44.0   58.0  4136    1
## m_pred[45]   46.8     0.1 7.3   33.0   47.0   62.0  3280    1
## m_pred[46]   41.9     0.1 6.6   30.0   42.0   56.0  3415    1
## m_pred[47]   38.3     0.1 6.7   25.0   38.0   52.0  3429    1
## m_pred[48]   44.5     0.1 6.8   32.0   44.0   58.0  3949    1
## m_pred[49]   41.3     0.1 6.6   29.0   41.0   55.0  3607    1
## m_pred[50]   53.6     0.1 7.5   39.0   53.0   69.0  3856    1
## lp__       6896.6     0.0 1.2 6893.4 6896.9 6898.0  1452    1
## 
## Samples were drawn using NUTS(diag_e) at Sat Dec 16 11:29:30 2023.
## For each parameter, n_eff is a crude measure of effective sample size,
## and Rhat is the potential scale reduction factor on split chains (at 
## convergence, Rhat=1).

練習問題5にある通り、図によるモデルのチェックも行っておく。ms$m_predにはMCMCサンプル数4000行、学生50人分の総授業回数\(M\)の予測分布が保存されているので、パーセンタイルを計算して可視化する。

\(M\)が低い学生と高い学生の予測分布がy=xを含んでおらず、予測があたっていない。アルバイトとスコアの説明変数だけでは説明できないといえる。

ms <- rstan::extract(fit)

qua <- apply(ms$m_pred, 2, quantile, prob = c(0.1, 0.5, 0.9))
d_est <- data.frame(d, t(qua), check.names = FALSE)
d_est$A <- as.factor(d_est$A)

ggplot(data = d_est, aes(x = M, y = `50%`, ymin = `10%`, ymax = `90%`, shape = A, fill = A)) +
  coord_fixed(ratio = 1, xlim = c(10, 80), ylim = c(10, 80)) +
  geom_pointrange(size = 0.8) +
  geom_abline(aes(slope = 1, intercept = 0), color = 'black', alpha = 3/5, linetype = '31') +
  scale_shape_manual(values = c(21, 24)) +
  labs(x = 'Observed', y = 'Predicted')