La réponse directe à votre question est que le dernier modèle que vous avez écrit,
anova(lmer(y ~ a*b*c +(1|subject) + (1|a:subject) + (1|b:subject) + (1|c:subject) +
(1|a:b:subject) + (1|a:c:subject) + (1|b:c:subject), d))
Je pense que c'est "en principe" correct, bien qu'il s'agisse d'un paramétrage étrange qui ne semble pas toujours bien fonctionner dans la pratique.
Quant à savoir pourquoi la sortie que vous obtenez de ce modèle est différente de la aov()
sortie, je pense qu'il y a deux raisons.
- Votre jeu de données simulé simple est pathologique dans la mesure où le modèle le mieux adapté est celui qui implique des composantes de variance négatives, auxquelles les modèles mixtes s'ajustent
lmer()
(et la plupart des autres programmes de modèles mixtes) ne le permettront pas.
- Même avec un ensemble de données non pathologique, la façon dont vous avez configuré le modèle, comme mentionné ci-dessus, ne semble pas toujours bien fonctionner dans la pratique, bien que je dois admettre que je ne comprends pas vraiment pourquoi. C'est aussi généralement étrange à mon avis, mais c'est une autre histoire.
Permettez-moi d'abord de démontrer le paramétrage que je préfère sur votre exemple ANOVA bidirectionnel initial. Supposons que votre jeu de données d
est chargé. Votre modèle (notez que j'ai changé de code factice en code de contraste) était:
options(contrasts=c("contr.sum","contr.poly"))
mod1 <- lmer(y ~ a*b+(1|subject) + (1|a:subject) + (1|b:subject),
data = d[d$c == "1",])
anova(mod1)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# a 1 2.20496 2.20496 3.9592
# b 1 0.13979 0.13979 0.2510
# a:b 1 1.23501 1.23501 2.2176
qui a bien fonctionné ici en ce qu'il correspondait à la aov()
sortie. Le modèle que je préfère implique deux changements: coder manuellement les facteurs de contraste afin que nous ne travaillions pas avec des objets de facteur R (ce que je recommande de faire dans 100% des cas), et spécifier les effets aléatoires différemment:
d <- within(d, {
A <- 2*as.numeric(paste(a)) - 3
B <- 2*as.numeric(paste(b)) - 3
C <- 2*as.numeric(paste(c)) - 3
})
mod2 <- lmer(y ~ A*B + (1|subject)+(0+A|subject)+(0+B|subject),
data = d[d$c == "1",])
anova(mod2)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# A 1 2.20496 2.20496 3.9592
# B 1 0.13979 0.13979 0.2510
# A:B 1 1.23501 1.23501 2.2176
logLik(mod1)
# 'log Lik.' -63.53034 (df=8)
logLik(mod2)
# 'log Lik.' -63.53034 (df=8)
Les deux approches sont totalement équivalentes dans le problème simple à 2 voies. Nous allons maintenant passer à un problème à 3 voies. J'ai mentionné plus tôt que l'exemple de jeu de données que vous avez donné était pathologique. Donc, ce que je veux faire avant d'aborder votre exemple de jeu de données est de générer d'abord un jeu de données à partir d'un modèle de composants de variance réel (c'est-à-dire où les composants de variance non nuls sont intégrés dans le vrai modèle). Je vais d'abord montrer comment mon paramétrage préféré semble mieux fonctionner que celui que vous avez proposé. Je montrerai ensuite une autre façon d'estimer les composantes de la variance qui n'impose pas qu'elles doivent être non négatives. Ensuite, nous serons en mesure de voir le problème avec l'exemple de jeu de données d'origine.
Le nouvel ensemble de données sera de structure identique, sauf que nous aurons 50 sujets:
set.seed(9852903)
d2 <- expand.grid(A=c(-1,1), B=c(-1,1), C=c(-1,1), sub=seq(50))
d2 <- merge(d2, data.frame(sub=seq(50), int=rnorm(50), Ab=rnorm(50),
Bb=rnorm(50), Cb=rnorm(50), ABb=rnorm(50), ACb=rnorm(50), BCb=rnorm(50)))
d2 <- within(d2, {
y <- int + (1+Ab)*A + (1+Bb)*B + (1+Cb)*C + (1+ABb)*A*B +
(1+ACb)*A*C + (1+BCb)*B*C + A*B*C + rnorm(50*2^3)
a <- factor(A)
b <- factor(B)
c <- factor(C)
})
Les ratios F auxquels nous voulons correspondre sont:
aovMod1 <- aov(y ~ a*b*c + Error(factor(sub)/(a*b*c)), data = d2)
tab <- lapply(summary(aovMod1), function(x) x[[1]][1,2:4])
do.call(rbind, tab)
# Sum Sq Mean Sq F value
# Error: factor(sub) 439.48 8.97
# Error: factor(sub):a 429.64 429.64 32.975
# Error: factor(sub):b 329.48 329.48 27.653
# Error: factor(sub):c 165.44 165.44 17.924
# Error: factor(sub):a:b 491.33 491.33 49.694
# Error: factor(sub):a:c 305.46 305.46 41.703
# Error: factor(sub):b:c 466.09 466.09 40.655
# Error: factor(sub):a:b:c 392.76 392.76 448.101
Voici nos deux modèles:
mod3 <- lmer(y ~ a*b*c + (1|sub)+(1|a:sub)+(1|b:sub)+(1|c:sub)+
(1|a:b:sub)+(1|a:c:sub)+(1|b:c:sub), data = d2)
anova(mod3)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# a 1 32.73 32.73 34.278
# b 1 21.68 21.68 22.704
# c 1 12.53 12.53 13.128
# a:b 1 60.93 60.93 63.814
# a:c 1 50.38 50.38 52.762
# b:c 1 57.30 57.30 60.009
# a:b:c 1 392.76 392.76 411.365
mod4 <- lmer(y ~ A*B*C + (1|sub)+(0+A|sub)+(0+B|sub)+(0+C|sub)+
(0+A:B|sub)+(0+A:C|sub)+(0+B:C|sub), data = d2)
anova(mod4)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# A 1 28.90 28.90 32.975
# B 1 24.24 24.24 27.653
# C 1 15.71 15.71 17.924
# A:B 1 43.56 43.56 49.694
# A:C 1 36.55 36.55 41.703
# B:C 1 35.63 35.63 40.655
# A:B:C 1 392.76 392.76 448.101
logLik(mod3)
# 'log Lik.' -984.4531 (df=16)
logLik(mod4)
# 'log Lik.' -973.4428 (df=16)
Comme nous pouvons le voir, seule la deuxième méthode correspond à la sortie de aov()
, bien que la première méthode soit au moins dans le stade approximatif. La deuxième méthode permet également d'obtenir une log-vraisemblance plus élevée. Je ne sais pas pourquoi ces deux méthodes donnent des résultats différents, car là encore je pense qu'elles sont "en principe" équivalentes, mais c'est peut-être pour des raisons numériques / informatiques. Ou peut-être que je me trompe et qu'ils ne sont pas équivalents, même en principe.
Je vais maintenant montrer une autre façon d'estimer les composantes de la variance sur la base des idées ANOVA traditionnelles. Fondamentalement, nous prendrons les équations des carrés moyens attendus pour votre conception, remplacerons les valeurs observées des carrés moyens et résoudrons les composantes de la variance. Pour obtenir les carrés moyens attendus, nous utiliserons une fonction R que j'ai écrite il y a quelques années, appelée EMS()
, qui est documentée ICI . Ci-dessous, je suppose que la fonction est déjà chargée.
# prepare coefficient matrix
r <- 1 # number of replicates
s <- 50 # number of subjects
a <- 2 # number of levels of A
b <- 2 # number of levels of B
c <- 2 # number of levels of C
CT <- EMS(r ~ a*b*c*s, random="s")
expr <- strsplit(CT[CT != ""], split="")
expr <- unlist(lapply(expr, paste, collapse="*"))
expr <- sapply(expr, function(x) eval(parse(text=x)))
CT[CT != ""] <- expr
CT[CT == ""] <- 0
mode(CT) <- "numeric"
# residual variance and A*B*C*S variance are confounded in
# this design, so remove the A*B*C*S variance component
CT <- CT[-15,-2]
CT
# VarianceComponent
# Effect e b:c:s a:c:s a:b:s a:b:c c:s b:s a:s b:c a:c a:b s c b a
# a 1 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 200
# b 1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 200 0
# c 1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 200 0 0
# s 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0
# a:b 1 0 0 2 0 0 0 0 0 0 100 0 0 0 0
# a:c 1 0 2 0 0 0 0 0 0 100 0 0 0 0 0
# b:c 1 2 0 0 0 0 0 0 100 0 0 0 0 0 0
# a:s 1 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0
# b:s 1 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0
# c:s 1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# a:b:c 1 0 0 0 50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# a:b:s 1 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# a:c:s 1 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# b:c:s 1 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# e 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
# get mean squares
(MSmod <- summary(aov(y ~ a*b*c*factor(sub), data=d2)))
# Df Sum Sq Mean Sq
# a 1 429.6 429.6
# b 1 329.5 329.5
# c 1 165.4 165.4
# factor(sub) 49 439.5 9.0
# a:b 1 491.3 491.3
# a:c 1 305.5 305.5
# b:c 1 466.1 466.1
# a:factor(sub) 49 638.4 13.0
# b:factor(sub) 49 583.8 11.9
# c:factor(sub) 49 452.2 9.2
# a:b:c 1 392.8 392.8
# a:b:factor(sub) 49 484.5 9.9
# a:c:factor(sub) 49 358.9 7.3
# b:c:factor(sub) 49 561.8 11.5
# a:b:c:factor(sub) 49 42.9 0.9
MS <- MSmod[[1]][,"Mean Sq"]
# solve
ans <- solve(CT, MS)
cbind(rev(ans[c(grep("e",names(ans)),grep("s",names(ans)))])/
c(1,2,2,2,4,4,4,1))
# s 1.0115549
# a:s 1.5191114
# b:s 1.3797937
# c:s 1.0441351
# a:b:s 1.1263331
# a:c:s 0.8060402
# b:c:s 1.3235126
# e 0.8765093
summary(mod4)
# Random effects:
# Groups Name Variance Std.Dev.
# sub (Intercept) 1.0116 1.0058
# sub.1 A 1.5191 1.2325
# sub.2 B 1.3798 1.1746
# sub.3 C 1.0441 1.0218
# sub.4 A:B 1.1263 1.0613
# sub.5 A:C 0.8060 0.8978
# sub.6 B:C 1.3235 1.1504
# Residual 0.8765 0.9362
# Number of obs: 400, groups: sub, 50
D'accord, nous allons maintenant revenir à l'exemple d'origine. Les ratios F que nous essayons de faire correspondre sont les suivants:
aovMod2 <- aov(y~a*b*c+Error(subject/(a*b*c)), data = d)
tab <- lapply(summary(aovMod2), function(x) x[[1]][1,2:4])
do.call(rbind, tab)
# Sum Sq Mean Sq F value
# Error: subject 13.4747 1.2250
# Error: subject:a 1.4085 1.4085 1.2218
# Error: subject:b 3.1180 3.1180 5.5487
# Error: subject:c 6.3809 6.3809 5.2430
# Error: subject:a:b 1.5706 1.5706 2.6638
# Error: subject:a:c 1.0907 1.0907 1.5687
# Error: subject:b:c 1.4128 1.4128 2.3504
# Error: subject:a:b:c 0.1014 0.1014 0.1149
Voici nos deux modèles:
mod5 <- lmer(y ~ a*b*c + (1|subject)+(1|a:subject)+(1|b:subject)+
(1|c:subject)+(1|a:b:subject)+(1|a:c:subject)+(1|b:c:subject),
data = d)
anova(mod5)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# a 1 0.8830 0.8830 1.3405
# b 1 3.1180 3.1180 4.7334
# c 1 3.8062 3.8062 5.7781
# a:b 1 1.5706 1.5706 2.3844
# a:c 1 0.9620 0.9620 1.4604
# b:c 1 1.4128 1.4128 2.1447
# a:b:c 1 0.1014 0.1014 0.1539
mod6 <- lmer(y ~ A*B*C + (1|subject)+(0+A|subject)+(0+B|subject)+
(0+C|subject)+(0+A:B|subject)+(0+A:C|subject)+
(0+B:C|subject), data = d)
anova(mod6)
# Analysis of Variance Table
# Df Sum Sq Mean Sq F value
# a 1 0.8830 0.8830 1.3405
# b 1 3.1180 3.1180 4.7334
# c 1 3.8062 3.8062 5.7781
# a:b 1 1.5706 1.5706 2.3844
# a:c 1 0.9620 0.9620 1.4604
# b:c 1 1.4128 1.4128 2.1447
# a:b:c 1 0.1014 0.1014 0.1539
logLik(mod5)
# 'log Lik.' -135.0351 (df=16)
logLik(mod6)
# 'log Lik.' -134.9191 (df=16)
Dans ce cas, les deux modèles donnent essentiellement les mêmes résultats, bien que la deuxième méthode ait une probabilité logarithmique très légèrement plus élevée. Aucune méthode ne correspond aov()
. Mais regardons ce que nous obtenons lorsque nous résolvons les composants de variance comme nous l'avons fait ci-dessus, en utilisant la procédure ANOVA qui ne contraint pas les composants de variance à être non négatifs (mais qui ne peuvent être utilisés que dans des conceptions équilibrées sans prédicteurs continus et sans données manquantes; hypothèses classiques de l'ANOVA).
# prepare coefficient matrix
r <- 1 # number of replicates
s <- 12 # number of subjects
a <- 2 # number of levels of A
b <- 2 # number of levels of B
c <- 2 # number of levels of C
CT <- EMS(r ~ a*b*c*s, random="s")
expr <- strsplit(CT[CT != ""], split="")
expr <- unlist(lapply(expr, paste, collapse="*"))
expr <- sapply(expr, function(x) eval(parse(text=x)))
CT[CT != ""] <- expr
CT[CT == ""] <- 0
mode(CT) <- "numeric"
# residual variance and A*B*C*S variance are confounded in
# this design, so remove the A*B*C*S variance component
CT <- CT[-15,-2]
# get mean squares
MSmod <- summary(aov(y ~ a*b*c*subject, data=d))
MS <- MSmod[[1]][,"Mean Sq"]
# solve
ans <- solve(CT, MS)
cbind(rev(ans[c(grep("e",names(ans)),grep("s",names(ans)))])/
c(1,2,2,2,4,4,4,1))
# s 0.04284033
# a:s 0.03381648
# b:s -0.04004005
# c:s 0.04184887
# a:b:s -0.03657940
# a:c:s -0.02337501
# b:c:s -0.03514457
# e 0.88224787
summary(mod6)
# Random effects:
# Groups Name Variance Std.Dev.
# subject (Intercept) 7.078e-02 2.660e-01
# subject.1 A 6.176e-02 2.485e-01
# subject.2 B 0.000e+00 0.000e+00
# subject.3 C 6.979e-02 2.642e-01
# subject.4 A:B 1.549e-16 1.245e-08
# subject.5 A:C 4.566e-03 6.757e-02
# subject.6 B:C 0.000e+00 0.000e+00
# Residual 6.587e-01 8.116e-01
# Number of obs: 96, groups: subject, 12
Maintenant, nous pouvons voir ce qui est pathologique dans l'exemple original. Le modèle le mieux adapté est celui qui implique que plusieurs des composantes de la variance aléatoire sont négatives. Mais lmer()
(et la plupart des autres programmes de modèles mixtes) contraint les estimations des composantes de la variance à être non négatives. Ceci est généralement considéré comme une contrainte sensible, car les variances ne peuvent bien sûr jamais vraiment être négatives. Cependant, une conséquence de cette contrainte est que les modèles mixtes sont incapables de représenter avec précision les ensembles de données qui présentent des corrélations intraclasses négatives, c'est-à-dire les ensembles de données où les observations du même cluster sont moins(plutôt que plus) similaires en moyenne aux observations tirées au hasard de l'ensemble de données, et par conséquent lorsque la variance intra-cluster dépasse considérablement la variance inter-cluster. Ces ensembles de données sont des ensembles de données parfaitement raisonnables que l'on rencontrera occasionnellement dans le monde réel (ou simuler accidentellement!), Mais ils ne peuvent pas être décrits de manière raisonnable par un modèle à composantes de variance, car ils impliquent des composantes de variance négatives. Ils peuvent cependant être décrits de manière «non sensible» par de tels modèles, si le logiciel le permet. aov()
le permet. lmer()
ne fait pas.
y ~ a*b + (1 + a*b|subject), d[d$c == "1",]
? Ou peut-être que je manque quelque chose?