Diferença residual de erro padrão entre optim e glm


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Eu tento reproduzir com optimos resultados de uma regressão linear simples ajustada com glmou até nlsfunções R.
As estimativas de parâmetros são as mesmas, mas a estimativa de variação residual e os erros padrão dos outros parâmetros não são os mesmos, principalmente quando o tamanho da amostra é baixo. Suponho que isso ocorra devido a diferenças na maneira como o erro padrão residual é calculado entre as abordagens de Máxima Verossimilhança e Menos Quadrados (dividindo por n ou por n-k + 1, veja abaixo no exemplo).
Compreendo pelas minhas leituras na Web que a otimização não é uma tarefa simples, mas fiquei pensando se seria possível reproduzir de maneira simples o erro padrão estimado glmdurante o uso optim.

Simule um pequeno conjunto de dados

set.seed(1)
n = 4 # very small sample size !
b0 <- 5
b1 <- 2
sigma <- 5
x <- runif(n, 1, 100)
y =  b0 + b1*x + rnorm(n, 0, sigma) 

Estimar com otimização

negLL <- function(beta, y, x) {
    b0 <- beta[1]
    b1 <- beta[2]
    sigma <- beta[3]
    yhat <- b0 + b1*x
    likelihood <- dnorm(y, yhat, sigma)
    return(-sum(log(likelihood)))
}

res <- optim(starting.values, negLL, y = y, x = x, hessian=TRUE)
estimates <- res$par     # Parameters estimates
se <- sqrt(diag(solve(res$hessian))) # Standard errors of the estimates
cbind(estimates,se)


    > cbind(estimates,se)
      estimates         se
b0     9.016513 5.70999880
b1     1.931119 0.09731153
sigma  4.717216 1.66753138

Comparação com glm e nls

> m <- glm(y ~ x)
> summary(m)$coefficients
            Estimate Std. Error   t value    Pr(>|t|)
(Intercept) 9.016113  8.0759837  1.116411 0.380380963
x           1.931130  0.1376334 14.030973 0.005041162
> sqrt(summary(m)$dispersion) # residuals standard error
[1] 6.671833
> 
> summary(nls( y ~ b0 + b1*x, start=list(b0 = 5, b1= 2)))

Formula: y ~ b0 + b1 * x

Parameters:
   Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)   
b0   9.0161     8.0760   1.116  0.38038   
b1   1.9311     0.1376  14.031  0.00504 **
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

Residual standard error: 6.672 on 2 degrees of freedom

Posso reproduzir as diferentes estimativas de erro padrão residual como este:

> # optim / Maximum Likelihood estimate
> sqrt(sum(resid(m)^2)/n)
[1] 4.717698
> 
> # Least squares estimate (glm and nls estimates)
> k <- 3 # number of parameters
> sqrt(sum(resid(m)^2)/(n-k+1))
[1] 6.671833

Respostas:


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O problema é que os erros padrão vêm de

σ^2(X⊤X)-1

σ^2summary.lm

summary.lm
#R function (object, correlation = FALSE, symbolic.cor = FALSE, 
#R     ...) 
#R {
#R    z <- object
#R    p <- z$rank
#R    rdf <- z$df.residual
#R    ...
#R    Qr <- qr.lm(object) 
#R    ... 
#R    r <- z$residuals
#R    f <- z$fitted.values
#R    w <- z$weights
#R    if (is.null(w)) {
#R         mss <- if (attr(z$terms, "intercept")) 
#R             sum((f - mean(f))^2)
#R         else sum(f^2)
#R         rss <- sum(r^2)
#R    }
#R    ...
#R    resvar <- rss/rdf
#R    ...
#R    R <- chol2inv(Qr$qr[p1, p1, drop = FALSE])
#R    se <- sqrt(diag(R) * resvar)
#R    ...

(β0 0,β1)σ^2(β0 0,β1,σ)σn/(n-3+1)

set.seed(1)
n = 4 # very small sample size !
b0 <- 5
b1 <- 2
sigma <- 5
x <- runif(n, 1, 100)
y =  b0 + b1*x + rnorm(n, 0, sigma) 

negLL <- function(beta, y, x) {
  b0 <- beta[1]
  b1 <- beta[2]
  sigma <- beta[3]
  yhat <- b0 + b1*x
  return(-sum(dnorm(y, yhat, sigma, log = TRUE)))
}

res <- optim(c(0, 0, 1), negLL, y = y, x = x, hessian=TRUE)
estimates <- res$par     # Parameters estimates
(se <- sqrt(diag(solve(res$hessian))))
#R [1] 5.690 0.097 1.653
k <- 3
se * sqrt(n / (n-k+1))
#R [1] 8.047 0.137 2.338

Para elaborar mais solicitações de usεr11852 , a probabilidade de log é

eu(β→,σ)=-n2registro⁡(2π)-nregistro⁡σ-12σ2(y→-Xβ→)⊤(y→-Xβ→)

Xn

−∇β→∇β→⊤l(β→,σ)=1σ2X⊤X

Agora podemos conectar o MLE ou o estimador não-avaliado de σ

m <- lm(y ~ x)
X <- cbind(1, x)
sqrt(sum(resid(m)^2)/n       * diag(solve(crossprod(X))))
#R                     x 
#R 5.71058285 0.09732149
k <- 3
sqrt(sum(resid(m)^2)/(n-k+1) * diag(solve(crossprod(X))))
#R                   x 
#R 8.0759837 0.1376334 

Podemos fazer o mesmo com uma decomposição QR como lmfaz

obj <- qr(X)
sqrt(sum(resid(m)^2)/(n-k+1) * diag(chol2inv(obj$qr)))
#R [1] 8.0759837 0.1376334

Então, para responder

Compreendo pelas minhas leituras na Web que a otimização não é uma tarefa simples, mas fiquei pensando se seria possível reproduzir de maneira simples o erro padrão estimado glmdurante o uso optim.

então você precisa aumentar os erros padrão no exemplo gaussiano que você usa.


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+1. Não estou 100% certo de que você acertou totalmente, mas isso definitivamente está na direção correta. Você pode explicar por que espera esse fator?
— usεr11852 diz Reinstate Monic

Está mais claro agora?
— Benjamin Christoffersen

1
Sim. Boa resposta! (Eu já votei)
— usεr11852 diz Reinstate Monic

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optimnn−k+1nn−k+1sqrt(4.717216^2*4/2) = 6.671151


1
Obrigado pela sua resposta. Percebo que minha pergunta não foi clara o suficiente (agora a editei). Eu não só deseja reproduzir o cálculo residual padrão de erro, mas também os parâmetros erros padrão ...
— Gilles

@ Gilles Não sei como reproduzir os erros padrão. As diferenças são devido a: 1. glm usa a matriz de informações de Fisher, enquanto otimiza o hessian, e 2. glm considera isso um problema de 2 parâmetros (encontre b0 e b1), enquanto otimiza um problema de 3 parâmetros (b0, b1 e sigma2) . Não tenho certeza se essas diferenças podem ser superadas.
— Papgeo 13/0818
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