自适应平滑中的P样条提取结点、基函数、系数和预测

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我正在使用mgcv软件包通过以下方式将一些多项式样条拟合到一些数据上:

x.gam <- gam(cts ~ s(time, bs = "ad"), data = x.dd,
             family = poisson(link = "log"))

我正在尝试提取拟合的函数形式。 x.gam 是一个 gamObject,我一直在阅读文档,但没有找到足够的信息来手动重构拟合函数。
  • x.gam$smooth 包含关于节点是否已放置的信息;
  • x.gam$coefficients 给出样条系数,但我不知道使用了多少次多项式样条,并且查看代码也没有发现任何信息。
有没有一种简洁的方法可以提取节点、系数和基础,以便可以手动重构拟合结果?

它没有说明它是使用bsplines还是psplines,如果是后者,也没有说明它们的阶数。 - Lindon
嗨哲远,你的回答很好,我只是在接受它之前填补一些空白。你能告诉我基础的数学形式是什么吗? - Lindon
1个回答

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我没有你的数据,因此我从 ?adaptive.smooth 中采用以下示例向您展示如何找到您想要的信息。请注意,尽管此示例适用于高斯数据而不是泊松数据,但仅有链接函数不同;其余部分都是标准的。

 x <- 1:1000/1000  # data between [0, 1]
 mu <- exp(-400*(x-.6)^2)+5*exp(-500*(x-.75)^2)/3+2*exp(-500*(x-.9)^2)
 y <- mu+0.5*rnorm(1000)
 b <- gam(y~s(x,bs="ad",k=40,m=5))

现在,有关平滑施工的所有信息都存储在b$smooth中,我们将其取出:

smooth <- b$smooth[[1]]  ## extract smooth object for first smooth term

结节点:

smooth$knots会给出结节点的位置。

> smooth$knots
 [1] -0.081161 -0.054107 -0.027053  0.000001  0.027055  0.054109  0.081163
 [8]  0.108217  0.135271  0.162325  0.189379  0.216433  0.243487  0.270541
[15]  0.297595  0.324649  0.351703  0.378757  0.405811  0.432865  0.459919
[22]  0.486973  0.514027  0.541081  0.568135  0.595189  0.622243  0.649297
[29]  0.676351  0.703405  0.730459  0.757513  0.784567  0.811621  0.838675
[36]  0.865729  0.892783  0.919837  0.946891  0.973945  1.000999  1.028053
[43]  1.055107  1.082161

请注意,在 [0, 1] 的两侧各放置了三个外部节点以构建样条基础。

基础类

attr(smooth, "class") 告诉您样条的类型。正如您可以从 ?adaptive.smooth 中阅读到的那样,对于 bs = admgcv 使用 P-样条,因此您会得到 "pspline.smooth"。

mgcv 使用二阶 P-样条,您可以通过检查差分矩阵 smooth$D 来验证这一点。以下是一个快照:

> smooth$D[1:6,1:6]
     [,1] [,2] [,3] [,4] [,5] [,6]
[1,]    1   -2    1    0    0    0
[2,]    0    1   -2    1    0    0
[3,]    0    0    1   -2    1    0
[4,]    0    0    0    1   -2    1
[5,]    0    0    0    0    1   -2
[6,]    0    0    0    0    0    1

系数

您已经知道b $coefficients包含模型系数:

beta <- b$coefficients

注意,这是一个命名向量:

> beta
(Intercept)      s(x).1      s(x).2      s(x).3      s(x).4      s(x).5 
 0.37792619 -0.33500685 -0.30943814 -0.30908847 -0.31141148 -0.31373448 
     s(x).6      s(x).7      s(x).8      s(x).9     s(x).10     s(x).11 
-0.31605749 -0.31838050 -0.32070350 -0.32302651 -0.32534952 -0.32767252 
    s(x).12     s(x).13     s(x).14     s(x).15     s(x).16     s(x).17 
-0.32999553 -0.33231853 -0.33464154 -0.33696455 -0.33928755 -0.34161055 
    s(x).18     s(x).19     s(x).20     s(x).21     s(x).22     s(x).23 
-0.34393354 -0.34625650 -0.34857906 -0.05057041  0.48319491  0.77251118 
    s(x).24     s(x).25     s(x).26     s(x).27     s(x).28     s(x).29 
 0.49825345  0.09540020 -0.18950763  0.16117012  1.10141701  1.31089436 
    s(x).30     s(x).31     s(x).32     s(x).33     s(x).34     s(x).35 
 0.62742937 -0.23435309 -0.19127140  0.79615752  1.85600016  1.55794576 
    s(x).36     s(x).37     s(x).38     s(x).39 
 0.40890236 -0.20731309 -0.47246357 -0.44855437

基础矩阵/模型矩阵/线性预测矩阵(lpmatrix)

可以从以下位置获取模型矩阵:

mat <- predict.gam(b, type = "lpmatrix")

这是一个n-by-p矩阵,其中n表示观测数,p表示系数数。该矩阵包含列名称:

> head(mat[,1:5])
  (Intercept)    s(x).1    s(x).2      s(x).3      s(x).4
1           1 0.6465774 0.1490613 -0.03843899 -0.03844738
2           1 0.6437580 0.1715691 -0.03612433 -0.03619157
3           1 0.6384074 0.1949416 -0.03391686 -0.03414389
4           1 0.6306815 0.2190356 -0.03175713 -0.03229541
5           1 0.6207361 0.2437083 -0.02958570 -0.03063719
6           1 0.6087272 0.2688168 -0.02734314 -0.02916029

第一列全为1,表示截距。而s(x).1表示s(x)的第一个基函数。如果您想查看各个基函数的形状,可以将mat的一列与您的变量绘制在一起。例如:

plot(x, mat[, "s(x).20"], type = "l", main = "20th basis")

basis

线性预测器

如果你想手动构建拟合,可以进行以下操作:

pred.linear <- mat %*% beta

请注意,这正是您可以从b$linear.predictors中获取的内容。

predict.gam(b, type = "link")

响应值/拟合值

对于非高斯数据,如果想获得响应变量,可以将反函数作用于线性预测器,将其映射回原始比例尺。

家族信息存储在gamObject$family中,gamObject$family$linkinv是反函数。以上示例会给出恒等链接,但对于您的拟合对象x.gam,可以执行以下操作:

x.gam$family$linkinv(x.gam$linear.predictors)

请注意,这与x.gam$fitted相同,或者说:

predict.gam(x.gam, type = "response").

其他链接

我刚意识到之前有很多类似的问题。

  1. Gavin Simpson的这个回答对于使用predict.gam( , type = 'lpmatrix')非常棒。
  2. 这个回答是关于使用predict.gam(, type = 'terms')的。

但无论如何,最好的参考始终是?predict.gam,其中包括广泛的示例。


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