R: função glm com família = especificação "binomial" e "peso"

Estou muito confuso com a forma como o peso funciona em glm com family = "binomial". No meu entendimento, a probabilidade do glm com family = "binomial" é especificada da seguinte forma: onde é a "proporção de sucesso observado" e é o número conhecido de tentativas.

$$f(y) = {n\choose{ny}} p^{ny} (1-p)^{n(1-y)} = \exp \left(n \left[ y \log \frac{p}{1-p} - \left(-\log (1-p)\right) \right] + \log {n \choose ny}\right)$$ $y$$n$

No meu entendimento, a probabilidade de sucesso $p$ é parametrizada com alguns coeficientes lineares $\beta$ como $p=p(\beta)$ e função glm com family = "binomial" procure por:

$$\textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i \log f(y_i).$$ Em seguida, esse problema de otimização pode ser simplificado como:

$$\textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i \log f(y_i)= \textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i n_i \left[ y_i \log \frac{p(\beta)}{1-p(\beta)} - \left(-\log (1-p(\beta))\right) \right] + \log {n_i \choose n_iy_i}\\ = \textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i n_i \left[ y_i \log \frac{p(\beta)}{1-p(\beta)} - \left(-\log (1-p(\beta))\right) \right] \\ $$
Portanto, se deixarmos $n_i^*=n_ic$ para todos $i=1,...,N$ para alguma constante $c$ , também deve ser verdade que: $$\textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i \log f(y_i) = \textrm{arg}\max_{\beta} \sum_i n^*_i \left[ y_i \log \frac{p(\beta)}{1-p(\beta)} - \left(-\log (1-p(\beta))\right) \right] \\ $$ A partir disso, pensei que o escalonamento do número de tentativas $n_i$com uma constante NÃO afeta as estimativas de probabilidade máxima de dada a proporção de sucesso$\beta$$y_i$ .

O arquivo de ajuda da glm diz:

 "For a binomial GLM prior weights are used to give the number of trials 
  when the response is the proportion of successes" 

Portanto, eu esperava que a escala de peso não afetasse o valor estimado dada a proporção de sucesso como resposta. No entanto, os dois códigos a seguir retornam valores diferentes de coeficiente:$\beta$

 Y <- c(1,0,0,0) ## proportion of observed success
 w <- 1:length(Y) ## weight= the number of trials
 glm(Y~1,weights=w,family=binomial)

Isso produz:

 Call:  glm(formula = Y ~ 1, family = "binomial", weights = w)

 Coefficients:
 (Intercept)  
      -2.197     

enquanto que se eu multiplicar todos os pesos por 1000, os coeficientes estimados são diferentes:

 glm(Y~1,weights=w*1000,family=binomial)

 Call:  glm(formula = Y ~ 1, family = binomial, weights = w * 1000)

 Coefficients:
 (Intercept)  
    -3.153e+15  

Eu vi muitos outros exemplos como esse, mesmo com uma escala moderada de pesos. O que está acontecendo aqui?

Seu exemplo está apenas causando erro de arredondamento em R. Pesos grandes não têm bom desempenho glm. É verdade que o dimensionamento wde praticamente qualquer número menor, como 100, leva às mesmas estimativas que as não dimensionadas w.

Se você deseja um comportamento mais confiável com os argumentos de ponderação, tente usar a svyglmfunção do surveypacote.

Veja aqui:

    > svyglm(Y~1, design=svydesign(ids=~1, weights=~w, data=data.frame(w=w*1000, Y=Y)), family=binomial)
Independent Sampling design (with replacement)
svydesign(ids = ~1, weights = ~w, data = data.frame(w = w * 1000, 
    Y = Y))

Call:  svyglm(formula = Y ~ 1, design = svydesign(ids = ~1, weights = ~w2, 
    data = data.frame(w2 = w * 1000, Y = Y)), family = binomial)

Coefficients:
(Intercept)  
     -2.197  

Degrees of Freedom: 3 Total (i.e. Null);  3 Residual
Null Deviance:      2.601 
Residual Deviance: 2.601    AIC: 2.843

glm.fitfamily$initializeglm.fit$\sqrt{W}X$$X$$\sqrt{W}$

O $intializecódigo relevante é:

if (NCOL(y) == 1) {
    if (is.factor(y)) 
        y <- y != levels(y)[1L]
    n <- rep.int(1, nobs)
    y[weights == 0] <- 0
    if (any(y < 0 | y > 1)) 
        stop("y values must be 0 <= y <= 1")
    mustart <- (weights * y + 0.5)/(weights + 1)
    m <- weights * y
    if (any(abs(m - round(m)) > 0.001)) 
        warning("non-integer #successes in a binomial glm!")
}

Aqui está uma versão simplificada do glm.fitque mostra o meu ponto

> #####
> # setup
> y <- matrix(c(1,0,0,0), ncol = 1)
> weights <- 1:nrow(y) * 1000
> nobs <- length(y)
> family <- binomial()
> X <- matrix(rep(1, nobs), ncol = 1) # design matrix used later
> 
> # set mu start as with family$initialize
> if (NCOL(y) == 1) {
+   n <- rep.int(1, nobs)
+   y[weights == 0] <- 0
+   mustart <- (weights * y + 0.5)/(weights + 1)
+   m <- weights * y
+   if (any(abs(m - round(m)) > 0.001)) 
+     warning("non-integer #successes in a binomial glm!")
+ }
> 
> mustart # starting value
             [,1]
[1,] 0.9995004995
[2,] 0.0002498751
[3,] 0.0001666111
[4,] 0.0001249688
> (eta <- family$linkfun(mustart))
          [,1]
[1,]  7.601402
[2,] -8.294300
[3,] -8.699681
[4,] -8.987322
> 
> #####
> # Start loop to fit
> mu <- family$linkinv(eta)
> mu_eta <- family$mu.eta(eta)
> z <- drop(eta + (y - mu) / mu_eta)
> w <- drop(sqrt(weights * mu_eta^2 / family$variance(mu = mu)))
> 
> # code is simpler here as (X^T W X) is a scalar
> X_w <- X * w
> (.coef <- drop(crossprod(X_w)^-1 * ((w * z) %*% X_w)))
[1] -5.098297
> (eta <- .coef * X)
          [,1]
[1,] -5.098297
[2,] -5.098297
[3,] -5.098297
[4,] -5.098297
> 
> # repeat a few times from "start loop to fit"

Podemos repetir a última parte mais duas vezes para ver que o método de Newton-Raphson diverge:

> #####
> # Start loop to fit
> mu <- family$linkinv(eta)
> mu_eta <- family$mu.eta(eta)
> z <- drop(eta + (y - mu) / mu_eta)
> w <- drop(sqrt(weights * mu_eta^2 / family$variance(mu = mu)))
> 
> # code is simpler here as (X^T W X) is a scalar
> X_w <- X * w
> (.coef <- drop(crossprod(X_w)^-1 * ((w * z) %*% X_w)))
[1] 10.47049
> (eta <- .coef * X)
         [,1]
[1,] 10.47049
[2,] 10.47049
[3,] 10.47049
[4,] 10.47049
> 
> 
> #####
> # Start loop to fit
> mu <- family$linkinv(eta)
> mu_eta <- family$mu.eta(eta)
> z <- drop(eta + (y - mu) / mu_eta)
> w <- drop(sqrt(weights * mu_eta^2 / family$variance(mu = mu)))
> 
> # code is simpler here as (X^T W X) is a scalar
> X_w <- X * w
> (.coef <- drop(crossprod(X_w)^-1 * ((w * z) %*% X_w)))
[1] -31723.76
> (eta <- .coef * X)
          [,1]
[1,] -31723.76
[2,] -31723.76
[3,] -31723.76
[4,] -31723.76

Isso não acontece se você começar weights <- 1:nrow(y)ou dizer weights <- 1:nrow(y) * 100.

Observe que você pode evitar divergências configurando o mustartargumento. Eg fazer

> glm(Y ~ 1,weights = w * 1000, family = binomial, mustart = rep(0.5, 4))

Call:  glm(formula = Y ~ 1, family = binomial, weights = w * 1000, mustart = rep(0.5, 
    4))

Coefficients:
(Intercept)  
     -2.197  

Degrees of Freedom: 3 Total (i.e. Null);  3 Residual
Null Deviance:      6502 
Residual Deviance: 6502     AIC: 6504