广义线性模型
广义线性模型
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伽玛分布
1
ln
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二项分布 ln p
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1 p
Poisson 分布 ln
e
1
p
e 1 e
e
p1 p
负二项分布 ln
e
k
e
k2
何为“广义线性模型”？(续)
一个广义线性模型包括以下三个组成部分： （1）线性成分(linear component ) ：
SAS软件中的PROC GENMOD：
The GENMOD Procedure
The GENMOD procedure fits generalized linear models. The class of generalized linear models is an extension of traditional linear models that allows the mean of a population to depend on a linear predictor through a nonlinear link function and allows the response probability distribution to be any member of an exponential family of distributions. Many widely used statistical models are generalized linear models. These include classical linear models with normal errors, logistic and probit models for binary data, and log-linear models for multinomial data. Many other useful statistical models can be formulated as generalized linear models by the selection of an appropriate link function and response probability distribution.
统计学中的广义线性模型解析
统计学中的广义线性模型解析统计学是一门研究数据收集、分析和解释的学科，而广义线性模型（Generalized Linear Model，简称GLM）则是统计学中一种重要的分析方法。
GLM不仅可以用于描述和预测数据，还可以帮助我们理解变量之间的关系和影响。
一、GLM的基本概念广义线性模型是由统计学家Nelder和Wedderburn于1972年提出的，它是线性回归模型的扩展。
在传统的线性回归模型中，我们假设因变量Y与自变量X之间存在线性关系，即Y = β0 + β1X + ε，其中β0和β1是待估计的系数，ε是误差项。
而GLM则允许因变量和自变量之间的关系不是线性的，可以是非线性的、离散的、非正态的等。
二、GLM的三个重要组成部分GLM由三个重要的组成部分构成：随机分布、系统性成分和连接函数。
随机分布用于描述因变量的分布特征，系统性成分用于描述自变量和因变量之间的关系，连接函数则用于将系统性成分与随机分布联系起来。
1. 随机分布在GLM中，我们常常假设因变量Y服从指数分布家族中的某个分布，如正态分布、泊松分布、二项分布等。
通过选择合适的分布，我们可以更好地描述和解释数据。
2. 系统性成分系统性成分是GLM中的关键部分，它用于描述自变量和因变量之间的关系。
通常，我们将系统性成分表示为线性组合的形式，即η = β0 + β1X1 + β2X2 + ... +βpXp，其中η是系统性成分，β0、β1、β2等是待估计的系数，X1、X2等是自变量。
3. 连接函数连接函数是将系统性成分和随机分布联系起来的桥梁。
它的作用是将系统性成分的线性组合映射到随机分布的参数空间中，使得我们可以通过系统性成分来预测和解释因变量的分布特征。
常见的连接函数有恒等函数、对数函数、逆正态函数等。
三、GLM的应用领域广义线性模型在统计学中有着广泛的应用领域。
以下是几个常见的应用示例：1. 生物医学研究在生物医学研究中，研究人员常常需要分析和解释疾病发生的风险因素。
第3章-广义线性模型
年收入 （万元）
是否有车
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是否有车
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2. 正态线性回归模型
• 只要取联结函数为 m (i) i x iT (i 1 , ,n ),则正
态线性回归模型满足广义线性模型的定义.
• 类似的,容易验证,二项分布和泊松分布都属 于指数分布族.
• 下面介绍实际中应用广泛的两种广义线性
模型:Logistic模型和对数线性模型.
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2. 模型的参数估计和检验
• 采用R软件中的广义线性模型过程glm( )可以完成 回归系数的估计,以及模型回归系数的显著性检验. 程序如下：
广义线性模型的分析及应用
广义线性模型的分析及应用一、引言广义线性模型（Generalized Linear Model, GLM）提供了一种在保持简单性的前提下，对非正态响应变量建立连续性预测模型的方法，适用于许多实际应用问题中。
本文旨在介绍广义线性模型的基本概念、模型构建方法、推断等内容，并通过实际案例的分析加深对GLM的理解与应用。
二、基本概念GLM是统计学中一种具有广泛适用性的模型框架，它的基本思想是将未知的响应变量与已知的协变量之间的关系描述为一个线性预测器和一个非线性函数的组合，即：g(E(Y)) = β_0 + β_1X_1 + ⋯+ β_pX_p其中，g(·)称为联接函数（Link Function），它定义了响应变量的均值与预测变量之间的关系，E(Y)为响应变量的期望，X_1,X_2,…,X_p为解释变量（predictor）或协变量（covariate），β_0, β_1, …, β_p是模型的系数或参数。
GLM假定响应变量Y服从指数分布族中的某一个分布，如正态分布、二项分布、泊松分布等。
三、模型构建方法1. 选择联接函数和分布族：不同的响应变量应选用不同的分布族。
例如，连续性响应变量可选用正态分布，二元响应变量可选用二项分布，而计数型响应变量可选用泊松分布等。
2. 选择解释变量：可使用变量选择算法，如前向选择法、向后选择法、逐步回归等，在给定样本内拟合出最佳模型。
3. 选择估计方法：由于某些非正态分布族无法使用最小二乘法拟合，可以使用极大似然估计法或广义估计方程法。
对于大样本，一般使用广义线性混合模型等。
4. 模型比较与选择：模型拟合后，需要进行模型检验和模型诊断，主要包括残差分析、Q-Q图检验、$R^2$值、F检验、AIC/BIC值等指标的分析。
四、模型应用GLM的应用非常广泛，特别是在医学、生态、社会科学、金融等领域。
下面以某市2019年全年医疗保险数据为例，运用GLM模型进行分析。
1. 数据描述健康保险数据包含了每个缴费人的性别、年龄、缴费金额、报销金额等信息。
glm原理
glm原理GLM原理广义线性模型（Generalized Linear Model，简称GLM）是一种常用的统计模型，广泛应用于各个领域的数据分析和建模中。
GLM 的核心原理是通过将响应变量与预测变量之间的关系建模为一个线性函数，然后通过一个非线性的连接函数将线性预测转换为实际的响应。
GLM的基本原理是建立一个线性模型，其中响应变量与预测变量之间的关系可以用线性函数来描述。
线性模型的形式为：y = β0 + β1x1 + β2x2 + ... + βpxp其中，y是响应变量，β0是截距，β1到βp是回归系数，x1到xp 是预测变量。
这个线性模型可以用来预测响应变量的数值。
然而，GLM与传统的线性回归模型不同之处在于，GLM允许响应变量不必遵循正态分布，而可以是其他分布，如泊松分布、二项分布等。
为了处理这种非正态分布的数据，GLM引入了一个连接函数，将线性预测转换为实际的响应。
连接函数（Link Function）是GLM的核心组成部分，它将线性预测与实际响应之间的关系进行转换。
连接函数的选择取决于响应变量的分布。
以下是一些常见的连接函数：1. 二项分布：对于二项分布的响应变量，常用的连接函数有logit 函数、probit函数和complementary log-log函数。
这些连接函数可以将线性预测转换为概率。
2. 泊松分布：对于泊松分布的响应变量，常用的连接函数是自然对数函数。
这个连接函数可以将线性预测转换为事件的平均发生率。
3. Gamma分布：对于Gamma分布的响应变量，常用的连接函数是倒数函数。
这个连接函数可以将线性预测转换为数据的均值。
通过选择合适的连接函数，GLM能够处理各种不同类型的响应变量，从而适应不同的数据分布。
除了连接函数，GLM还引入了一个称为“链接函数”的方差函数，用于描述响应变量的方差与预测变量之间的关系。
链接函数的选择也取决于响应变量的分布。
例如，在二项分布中，方差函数是二项方差函数，它与连接函数共同描述了响应变量的方差。
广义线性模型（GLM,GeneralizedLinearModel）
⼴义线性模型（GLM,GeneralizedLinearModel）
引⾔：通过⾼斯模型得到最⼩⼆乘法(线性回归)，即：
通过伯努利模型得到逻辑回归，即：
这些模型都可以通过⼴义线性模型得到。
⼴义线性模型是把⾃变量的线性预测函数当作因变量的估计值。
在机器学习中，有很多模型都是基于⼴义线性模型的，⽐如传统的线性回归模型，最⼤熵模型，Logistic回归，softmax回归，等等。
今天主要来学习如何来针对某类型的分布建⽴相应的⼴义线性模型。
1. ⼴义线性模型
⼴义线性模型：⼴义线性模型是基于指数分布族(Exponential Family)，⽽指数分布族的原型如下：
其中，η是⾃然参数(Natural Parameter)，T(y)为充分统计量(Sufficient Statistic)，通常T(y)=y。
实际上，许多分布(如，⾼斯分布、指数分布、泊松分布、伽马分布灯)都属于指数分布族。
所以，线性回归、逻辑回归等都是⼴义线性模型的特例，实际上，性分布中，y服从⾼斯分布那么⼴义线性模型为线性回归，y服从伯努利分布为逻辑回归。
在使⽤⼴义线性模型构建其他模型之前，⾸先有三个假设：
(1) y|x; θ~ExpFamily；
(2) 给定x，⽬标是输出期望E[T(y)|x]，得到h(x)= E[T(y)|x]；
(3) η与x的关系是线性的，即：
1. 常见概率模型由⼴义线性模型的推导
(1) ⾼斯模型
⾼斯分布可以表⽰为：
⾼斯模型的⾃然参数与均值成线性分布，所以
(2) 伯努利模型
伯努利模型可以表⽰为：
其中，b(y)=1。
从⽽得到逻辑回归模型。
带⼊a(η)可以得到：。
SPSS数据分析—广义线性模型
我们前面介绍的一般线性模型、Logistic回归模型、对数线性模型、Poisson 回归模型等，实际上均属于广义线性模型的范畴，广义线性模型包含的范围非常广泛，原因在于其对于因变量、因变量的概率分布等条件的限制放宽，使其应用范围加大。
广义线性模型由以下几个部分组成1.因变量广义线性模型的因变量还是要去独立性，但是分布不再局限于正态分布一种，而是可以是指数族概率分布的任意一种，其方差也可以不稳定，但必须要能表达为依赖均值的函数2.线性部分广义线性模型因变量与自变量必须为线性关系，即因变量与自变量之间是一次方函数关系，这点和传统线性模型也一样3.连接函数用于描述因变量的期望值是如何和预测值相关联的由上可知，和传统线性模型相比，广义线性模型主要从以下两个方面进行了扩展1.因变量的分布范围扩大2.连接函数的引入通过选定不同的因变量概率分布、连接函数等，就可以拟合各种不同的广义线性模型，例如当因变量分布为正态分布、连接函数为恒等函数时，就是拟合一般线性模型；当因变量分布为二项分布，连接函数为Logit函数时，就是拟合Logistic回归，当因变量分布为Poisson分布，连接函数为对数时，就是拟合Poisson回归，下面我们通过一个例子来进行说明广义线性模型在SPSS中的使用情况。
例，希望研究不同温度不同催化剂不同批次条件下，某化合物的转化率情况，数据如下根据本例的实验目的，可以采用方差分析，但是本例为嵌套实验设计，共有三个因素，温度、催化剂、批次，其中温度是嵌套在催化剂因素下面的，因此SPSS无法直接使用方差分析的对话框来进行分析，需要在程序中进行修改，比较麻烦，但是如果使用广义线性模型，就可以直接使用对话框进行分析了分析—广义线性模型—广义线性模型。
广义线性模型的推广及应用
广义线性模型的推广及应用广义线性模型（Generalized Linear Model，简称GLM）是统计学中一种重要的模型，它将线性模型推广到了更广泛的情况下，可以处理非正态分布的响应变量。
在实际应用中，广义线性模型被广泛应用于各个领域，如医学、金融、市场营销等。
本文将介绍广义线性模型的推广及其在实际应用中的具体案例。
## 一、广义线性模型的基本概念广义线性模型是由Nelder和Wedderburn于1972年提出的，它是线性模型的一种推广形式。
在传统的线性模型中，假设因变量服从正态分布，而在广义线性模型中，因变量的分布可以是指数分布族中的任意一种分布，如正态分布、泊松分布、二项分布等。
广义线性模型的基本形式如下：$$g(E(Y)) = \beta_0 + \beta_1X_1 + \beta_2X_2 + ... +\beta_pX_p$$其中，$g()$是连接函数（link function），用于将因变量的均值与自变量的线性组合联系起来；$E(Y)$表示因变量的期望；$\beta_0, \beta_1, \beta_2, ..., \beta_p$是模型的系数；$X_1, X_2, ..., X_p$是自变量。
## 二、广义线性模型的推广### 1. 权重广义线性模型（Weighted GLM）在一些实际应用中，观测数据的方差可能不相等，此时可以使用权重广义线性模型来处理这种情况。
权重广义线性模型通过赋予不同观测数据不同的权重，来更好地拟合数据。
在权重广义线性模型中，模型的似然函数被修改为考虑到每个观测数据的权重，从而得到更准确的参数估计。
### 2. 分层广义线性模型（Hierarchical GLM）分层广义线性模型是将广义线性模型与分层模型相结合的一种形式。
在分层广义线性模型中，模型考虑了数据的层次结构，将数据分为不同的层次，并在每个层次上建立广义线性模型。
这种模型适用于具有多层次结构的数据，能够更好地捕捉数据之间的相关性。
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广义线性模型
一、广义模型的概念以及指数函数族
1.多元线性回归和正态线性模型
2.指数函数族
3.The Tweedie distribution：特殊的指数指数族一员；在0点有很大的
概率并且在非0点有合适的分布；方差与均值的p次幂成正比4.GLM的结构：连接函数、设计矩阵、预估变量、offset变量
每个观测的方差取决于：1.模型的方差方程；2.幅度变量；3.每个变量的权重
二、构建GLM模型
1.单因子分析：无法反映变量之间的关系,GLM可以排除这类关系，
得到相对数的真实值
2.变量、分类因子、交互项目以及线性预测值：
（1）权重/暴露
（2）反应：模型视图预测的值一般地，模型的名称与反应/权重的含义相同
（3）categorical factors and naturally ordered value
（4）interaction terms:当某种不同变量的特定组合与分别直接乘以不同变量相对数的经验差异很大时要用到
3. 变量估计：通过逆矩阵相关方法求解
三、分析因子的显著性
1. chi-squared、F-statistics、AIC 等统计量
（1）偏离：比较观测值与设定值之间的差距，考虑到权重的影响，并且当方差小时给予误差更大的影响。
（2）偏离度调整
（3）chi-squared 统计量：模型的自由度定义为观测的数量减去变量的数量
Nested models:可以利用chi-squared来检验偏离度的变化
(4) F-statistics
(5)AIC：主要用于模型选择的统计量
AIC=-2*log likelihood+2*number of parameters
是在likelihood 与变量数量之间的权衡，AIC数值越小越好
2.模型变量的不确定性
Hat matrix
Likelihood的二阶导数与变量的方差反比例相关
Steep curvature表明变量tightly defined，
Shallow curvature 表明变量poorly defined
3.其他方法
（1）与预期值相比：每种水平下相对值的变动幅度，同时考虑每个水平下得标准偏差，其值的
（2）Comparison with time：model fit line；variation的大小应该与exposure的大小相反
不同渠道数据收集上的差异可能导致不一致的发生四、测试模型的适当性
1.残差法
偏离残差：修正了偏度的影响，分布更为正态化
皮尔逊残差：观测值与预测值之间的差异，除以预测值的方
差，这个办法使得具有不同均值的观测值可以进行比较，但
是没有对分布的形状加以调整
2.残差图：对于某种模型，如果所选的误差结构是正确的，那
么残差的平均值就是0，并且残差值的范围
3.Cook’s distance
Leverage:用于估计数据点对于模型结果的影响
五、模型refinement
1. 完全交互以及边际交互
2. 模型限制
Restrictions: price demand elasticity; competitive situation; legal or commercial consideration
Compensate: adjust the fitted relativities for correlated factors,using the offset term in the GLM
Impose restriction at the risk premium stage: allow more complete and balanced compensation by the other factors
Counterintuitive model results: behavior factors
Distribution of ratio of fitted values between restricted and unrestricted models
3. aliasing : linear dependency : one covariate may be identical to some
combination of other covariates
(1):Intrinsic aliasing。