enorme diferença entre as estimativas de regressão binomial ao incluir efeito aleatório vs quando não

Estou tentando estimar a pontuação média para dois grupos de estudantes. Eu uso um modelo de regressão binomial. Essa total_ansé a pergunta total que eles responderam, que podem ser diferentes para diferentes alunos.

O modelo 1 estima diretamente

model <- glm(cbind(total_correct, total_ans-total_correct) ~ student_type,family= binomial, data = df)

Call:  glm(formula = cbind(total_correct, total_ans - total_correct) ~ student_type, family = binomial, data = df)

Coefficients:
                  (Intercept)  student_group_2  
                      -1.9684           0.2139  

Degrees of Freedom: 1552 Total (i.e. Null);  1551 Residual Null
Deviance:       1480  Residual Deviance: 1477   AIC: 1764


lsmeans(model,~ student_type, type="response")

 student_type           prob         SE df asymp.LCL asymp.UCL
 student_group_1   0.1225627 0.00654160 NA 0.1103074 0.1359715
 student_group_2   0.1474774 0.01275231 NA 0.1241918 0.1742602

No modelo 2, uso um efeito aleatório para explicar melhor as variações individuais.

model <- glmer(cbind(total_correct, total_ans-total_correct) ~ (1|student)  + student_type, family= binomial, data = sub_df, control=glmerControl(optimizer = "nloptwrap", calc.derivs = FALSE))

Generalized linear mixed model fit by maximum likelihood (Laplace
  Approximation) [glmerMod]
 Family: binomial  ( logit )
Formula: cbind(total_correct, total_ans - total_correct) ~ (1 | student) +  
    student_type
   Data: sub_df
      AIC       BIC    logLik  deviance  df.resid 
1653.9049 1669.9488 -823.9525 1647.9049      1550 
Random effects:
 Groups Name        Std.Dev.
 student (Intercept) 1.881   
Number of obs: 1553, groups:  author, 1553
Fixed Effects:
                  (Intercept)  student_group_2  
                      -3.0571   0.3915  


lsmeans(model,~ student_type, type="response")

 student_type            prob          SE df  asymp.LCL asymp.UCL
 student_group_1   0.04491007 0.004626728 NA 0.03666574 0.0549025
 student_group_2   0.06503249 0.015117905 NA 0.04097546 0.1017156

Estou surpreso que exista uma diferença tão grande entre os resultados nos dois grupos. Qual pode ser a razão disso?

mais informações: o grupo 1 tem 1434 alunos, o grupo 2 tem 119 alunos. estes são grupos que ocorrem naturalmente

generalized-linear-model lme4-nlme random-effects-model lsmeans user926321
fonte

@ PeterFlom, é apenas uma maneira de especificar o número de sucessos, o número de falhas na glm. a soma dos dois é o total de tentativas #

user926321

A principal razão pela qual os resultados diferem tanto é que o segundo modelo demonstra que o primeiro está totalmente errado. O primeiro assume uma resposta binomial com probabilidade constante dentro de cada grupo, enquanto o grande desvio padrão do componente aleatório (1.8) no segundo modelo mostra que os dados são inconsistentes com essa suposição de probabilidade constante. Os histogramas das proporções corretas por grupo devem revelar isso claramente. Alguns gráficos bem escolhidos dos dados ajudariam a esclarecer esse problema.

whuber

Segmento interessante, embora uma informação importante pareça estar faltando: os alunos de cada grupo responderam ao teste várias vezes, de modo que cada vez que você registrava o número de respostas corretas em relação ao número de perguntas respondidas? Caso contrário, não vejo por que você incluiria um efeito aleatório do aluno em seu modelo.

Isabella Ghement

A outra questão é que esses grupos são naturais e, portanto, provavelmente diferem de várias maneiras (o que pode explicar as diferenças observadas entre os grupos). Se você pode controlar qualquer variável de confusão que possa ter medido, isso pode ajudar na interpretação de seus resultados.

Isabella Ghement

Comentário breve: lsmeans está obsoleto. Você deve mudar para emmeans. A sintaxe provavelmente será quase idêntica.

COOLSerdash

Respostas:

Há informações suficientes na pergunta para esclarecer isso. lsmeans é simplesmente usar os coeficientes para obter as probabilidades previstas pelo grupo.

Portanto, para o GLM, o modelo implícito do OP é:

\hat{π} = \frac{1}{1 + e^{- (- 1.9684 + 0.2139 \times d)}}

$\begin{equation} \hat\pi=\frac{1}{1+e^{-(-1.9684+0.2139\times d)}} \end{equation}$

onde é um indicador de participação no grupo 2. Portanto, as probabilidades previstas são: e $d$ $(1+e^{-(-1.9684)})^{-1}$ $(1+e^{-(-1.9684+0.2139)})^{-1}$ para os grupos 1 e 2, respectivamente. Isso resulta em probabilidades previstas de aproximadamente $12.25\%$ e $14.75\%$ respectivamente.

Para o modelo multinível (ou GLMM), o modelo implícito do OP é:

\hat{π} = \frac{1}{1 + e^{- (- 3.0571 + 0.3915 \times d + 1.881 \times \hat{u})}}

$\begin{equation} \hat\pi=\frac{1}{1+e^{-(-3.0571+0.3915\times d+1.881\times \hat{u})}} \end{equation}$

Onde $\hat{u}$ é a interceptação aleatória assumida como normal normal. As probabilidades previstas de lsmeans assumem um valor de interceptação aleatória igual a zero $(\hat{u}=0)$ resultando em: $(1+e^{-(-3.0571)})^{-1}$ e $(1+e^{-(-3.0571+0.3915)})^{-1}$ para os grupos 1 e 2, respectivamente. Isso resulta em probabilidades previstas de aproximadamente $4.49\%$ e $6.50\%$ respectivamente. Estes são os resultados lsmeans do GLMM.

Um problema é que a interceptação no GLMM é a probabilidade de log esperada de sucesso para alguém que é "médio" em relação a outros. Portanto, usar isso como base para relatar todo o modelo é um problema. Sobre o outro coeficiente, uma sugestão de por que o coeficiente de diferença de grupo aumenta é que a qualidade do modelo é melhor, para que o coeficiente aumente, procure recolhível neste site ou consulte A meta-análise de odds ratio é essencialmente sem esperança? .

Tornar os resultados do GLMM lsmeans comparáveis aos resultados do GLM lsmeans. Temos que usar os valores observados da interceptação aleatória, $\hat{u}$ . Pode-se simular interceptações aleatórias para corresponder ao modelo específico do OP:

set.seed(12345)
u_hat <- rnorm(1553, 0, 1.881)
d <- c(rep(0, 1434), rep(1, 119))
# predicted log odds:
pred_log_odds <- -3.0571 + 0.3915 * d + u_hat
pred_prob <- plogis(pred_log_odds)
coef(lm(pred_prob ~ 0 + factor(d)))

factor(d)0 factor(d)1 
 0.1189244  0.1490395

Neste exemplo simulado, esses valores estão muito mais próximos dos resultados lsmeans GLM. Se você executar algo parecido com a sintaxe abaixo em seus dados:

lm(fitted(model) ~ 0 + df$student_type)

Onde modelestá o GLMM, você deve obter valores bem próximos dos valores lsmeans. Estou assumindo que quando você chamar fitted()em glmer(), ele também inclui a intercepção aleatória e os valores que são retornados são probabilidades.

Na sua situação em que os grupos ocorrem naturalmente, outra coisa a explorar nos dados são as diferentes variações de grupos na interceptação aleatória, portanto, um modelo como:

glmer(cbind(total_correct, total_ans-total_correct) ~
  (0 + student_type || student) + student_type,
  family = binomial, data = sub_df,
  control = glmerControl(optimizer = "nloptwrap", calc.derivs = FALSE))

pode valer a pena explorar, pois, no momento, você está assumindo que as variações de interceptação aleatória não diferem por grupo. Eu usei o ||so lme4 não tenta correlacionar as duas interceptações aleatórias.

Eu não sabia que era possível adicionar uma interceptação aleatória para cada aluno quando eles tinham apenas uma linha nos dados. Mas estou racionalizando, assumindo que o julgamento versus falhas por linha equivale a várias linhas na forma longa.

Jim Heteroskedastic
fonte

Modelo 1, regressão logística sem efeito aleatório:

L o g i t (Pr (Y = 1)) = X β

$\mathrm{Logit}(\Pr(Y=1)) = X\beta$

Conhecemos o MLE $\hat \beta$ é assintoticamente imparcial. Mas é uma estimativa enviesada de , devido à não linearidade da função logit. Mas assintoticamente é imparcial. Portanto, para o modelo 1, é aceitável.

\hat{P} r (Y = 1) = {L o g i t}^{- 1} (X \hat{β})

$\hat Pr(Y=1) = \mathrm{Logit}^{-1}(X\hat\beta)$

Pr (Y = 1)

$\Pr(Y=1)$

\hat{P} r (Y = 1) = {L o g i t}^{- 1} (X \hat{β})

$\hat Pr(Y=1) = \mathrm{Logit}^{-1}(X\hat\beta)$

Modelo 2, regressão logística com interceptação aleatória:

L o g i t (Pr (Y_{i j} = 1)) = X_{i j} β + γ_{i}

$\mathrm{Logit}(\Pr(Y_{ij}=1)) = X_{ij}\beta + \gamma_i$

γ \sim N (0, σ^{2})

$\gamma \sim N(0,\sigma^2)$

Nesta situação, o erro comum é

Pr (Y = 1 | X) = E (Y | X) = E ({L o g i t}^{- 1} (X β + γ_{i})) = {L o g i t}^{- 1} (E (X β + γ_{i})) = {L o g i t}^{- 1} (X β)

$\Pr(Y=1|X) = \mathrm{E}(Y|X) = \mathrm{E}(\mathrm{Logit}^{-1}(X\beta + \gamma_i)) =\mathrm{Logit}^{-1}( \mathrm{E}(X\beta + \gamma_i)) = \mathrm{Logit}^{-1}(X\beta)$

Nesse processo, a não linearidade da função logit é totalmente ignorada.

Portanto, a seguinte saída é muito enganadora. Isso indica que, para o aluno do grupo 1, a probabilidade de correção é de 4,5%.

    student_type            prob          SE df  asymp.LCL asymp.UCL
    student_group_1   0.04491007 0.004626728 NA 0.03666574 0.0549025
    student_group_2   0.06503249 0.015117905 NA 0.04097546 0.1017156

O erro acima não pode ser contribuído para a regressão logística de efeito misto, deve vir da interpretação incorreta dos resultados.

Vejamos como derivar corretamente a média marginal de $Y$ .

Pr (Y = 1 | X) = E (Y | X) = E ({L o g i t}^{- 1} (X β + γ_{i})) = \int_{- \infty}^{\infty} {L o g i t}^{- 1} (z) ϕ (z) d z

$\Pr(Y=1|X) = \mathrm{E}(Y|X) = \mathrm{E}(\mathrm{Logit}^{-1}(X\beta + \gamma_i)) =\int_{-\infty}^{\infty} \mathrm{Logit}^{-1}(z)\phi(z)dz$ Onde

z = X β + γ_{i}

$z=X\beta + \gamma_i$ e

ϕ

$\phi$ é pdf de

N (X β, σ^{2})

$N(X\beta, \sigma^2)$

Para os alunos do Grupo 1, os resultados indicam que $X\beta= -3.0571$ , $\sigma = 1.881$ . Usando o método da quadratura de Gauss-Hermite com 20 pontos, obtive $\Pr(Y=1|X=0) = 0.1172$ . similarmente, $\Pr(Y=1|X=0) = 0.1492$ .

user158565
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