ggfanパッケージを用いて事後予測チェックを行う

この記事は Stan Advent Calendar 2017 17日目の記事です。

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#はじめに
モデルを立ててパラメータを推定した後で，事後分布から乱数を生成し，将来のデータと観測データの整合性を確認する，事後予測チェックを行うことが推奨されています。立てたモデルから生成したデータが，実際に得られた観測データと整合していたとしたら，そのモデルは現象をとらえていると考えることが出来るからです。
本記事では，視覚的に事後予測チェックを行う方法の一つを紹介します。

#モデル
種々の車両に関するデータセットである，mtcarsを使用して例示します。車の排気量（displ）を重量（wt）で予測してみましょう。重い車両ほど排気量が増えると考えられます。実際，データはほぼ一直線上に乗っているように見えます。

この単回帰モデルをStanで書くと以下の通りとなります（StanとRでベイズ統計モデリング7章のコードを使用させていただきました）。generated quantitiesブロック内で，事後分布から乱数を生成しています。

normal

data {
  int N;
  real X[N];
  real Y[N];
  int N_new;
  real X_new[N_new];
}

parameters {
  real a;
  real b;
  real<lower=0> sigma;
}

model {
  for (n in 1:N)
    Y[n] ~ normal(a + b*X[n], sigma);
}

generated quantities {
  real y_new[N_new];
  for (n in 1:N_new)
    y_new[n] = normal_rng(a + b*X_new[n], sigma);
}

Rのコードは以下の通りです。
X軸に割り当てる重量（wt）の下限より少し下から，上限より少し上の範囲まで，0.1刻みで新しいX（X_new）を作っています。これらをモデルに投入して生み出される新しいY（y_new）は，今回の観測データと整合するのでしょうか。

run_stancode

library(rstan)

stanmodel <- rstan::stan_model("stan_advent2017.stan")

X_new <- seq(from = min(mtcars$wt) - 1,
             to = max(mtcars$wt) + 1,
             by = 0.1)

data <- list(N = nrow(mtcars),
             Y = mtcars$disp,
             X = mtcars$wt,
             X_new = X_new,
             N_new = length(X_new))

fit <- rstan::sampling(object = stanmodel,
                       data = data,
                       seed = 1234)

#ggfanパッケージを用いて事後予測チェックを行う
ggplot2パッケージのgeom_ribbon()などを用いて，冒頭のグラフに予測区間を重畳してもいいのですが，少しだけ手間がかかります。そこでggfanパッケージを使用すると簡便に描画することが出来ます。ggfanパッケージの詳しい使用方法については，こちらのページをご参照ください。

まずは生成された乱数を，ロング形式に並び替えましょう。

predictive_check1

library(tidyverse)

temp <- as.data.frame(fit) %>% 
  dplyr::select(starts_with("y_new")) %>% 
  tidyr::gather(key = key, value = value) %>% 
  dplyr::mutate(X_new = rep(X_new, each = 4000))

今回は，新しいX（X_new）の長さは60でした。MCMCのサンプリングにおいて，iterとwarmupは特に指定しなかったので，デフォルトの設定になります（iter = 2000, warmup = 1000, chain = 4）。すなわち各X_newの値について，4,000個のy_newが生成されるわけですから，ロング形式に並べると60 * 4,000 = 240,000行になります。

あとはggplot()に渡してやり，ggfanパッケージのgeom_fan()を使用するだけです。geom_ribbon()は必要ありません。

predictive_check2

library(ggfan)

ggplot()+
  theme_bw(base_size = 15)+
  geom_fan(data = temp, aes(y = value, x = X_new))+
  geom_point(data = mtcars, aes(y = disp, x = wt), size = 3)+
  scale_fill_distiller(palette = "Spectral")+
  coord_cartesian(ylim = c(0, 600))

簡単に予測区間を描画できました。scale_fill_distiller()以降は見栄えを調整しているだけなので，必須ではありません。
もちろん，特定の分位数を指定することも可能です。0%, 25%, 50%, 75%, 95%の区間を明示してみましょう。

predictive_check3

ggplot()+
  theme_bw(base_size = 15)+
  geom_fan(data = temp, aes(y = value, x = X_new), intervals = c(0, 0.25, 0.5, 0.75, 0.95))+
  geom_point(data = mtcars, aes(y = disp, x = wt), size = 3)+
  scale_fill_distiller(palette = "Spectral")+
  coord_cartesian(ylim = c(0, 600))

一部のデータが95％予測区間をはみ出ているので，まだモデルに改良の余地があるのかもしれませんが，今回立てた単回帰モデルはそんなに悪くなさそうです。

#おわりに
以上のように，事後予測区間を可視化することで，モデルを改善する必要性があるかどうかを，直感的に把握することが出来ます。ggfanパッケージはその一助となるかもしれません。もっとも，単回帰以外の時はどう使うのかなあ...