【Rでベイズ統計モデリング#22】DGLM(ポアソン分布)
記事の目的
状態空間モデルであるDGLM(ポアソン分布)のベイズ推定を、RとStanを使用して実装していきます。データの作成から実装するので、コピペで再現することが可能です。
目次
0 前準備
0.1 今回のモデル
0.2 ワーキングディレクトリの設定
以下の画像のようにワーキングディレクトリを設定します。設定したディレクトリに、RファイルとStanファイルを保存します。
1 ライブラリ
# 1 ライブラリ library(dplyr) library(ggplot2) library(rstan) library(bayesplot) library(gridExtra) set.seed(2) rstan_options(auto_write=TRUE) options(mc.cores=parallel::detectCores())
2 データ
2.1 コード
# 2 データ ## 2.1 データ作成 日付 <- seq(as.POSIXct("2021/05/01"), as.POSIXct("2021/08/01"), "days") 売り上げ個数 <- c() mu <- c() gamma <- c() mu[1] <- 0 gamma[1:6] <- c(-7,-5,2,3,6,9)/10 T <- length(日付) for(t in 2:T){ mu[t] <- rnorm(1, mu[t-1], 0.3) } for(t in 7:T){ gamma[t] <- rnorm(1, -sum(gamma[(t-6):(t-1)]), 0.1) } lambda <- exp(mu + gamma) for(t in 1:T){ 売り上げ個数[t] <- rpois(1, lambda[t]) } data <- data.frame(日付, 売り上げ個数) data %>% head() ## 2.2 データの可視化 plot <- data %>% ggplot(aes(x=日付)) + theme_classic(base_family = "HiraKakuPro-W3") + theme(text = element_text(size = 10))+ scale_x_datetime(date_labels = "%m/%d") plot + geom_point(aes(y=売り上げ個数))+ geom_line(aes(y=売り上げ個数)) + labs(x="日付",y="売り上げ個数",title="売り上げ個数の推移") ## 2.3 パラメータの可視化 plot_lambda_sim <- plot + geom_point(aes(y=lambda))+ geom_line(aes(y=lambda)) + labs(x="日付",y="λ",title="λの推移") plot_mu_sim <- plot + geom_point(aes(y=mu))+ geom_line(aes(y=mu)) + labs(x="日付",y="μ",title="μの推移") plot_gamma_sim <- plot + geom_point(aes(y=gamma))+ geom_line(aes(y=gamma)) + labs(x="日付",y="γ",title="γの推移") grid.arrange(plot_lambda_sim, plot_mu_sim, plot_gamma_sim)
2.2 結果
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3 Stanの利用
3.1 Stanファイル
data { int T; int y[T]; } parameters { vector[T] mu; vector[T] gamma; real<lower=0> sigma_w; real<lower=0> sigma_s; real<lower=0> sigma_v; } transformed parameters{ vector[T] lambda; lambda = exp(mu+gamma); } model { mu[2:T] ~ normal(mu[1:(T-1)], sigma_w); for(t in 7:T){ gamma[t] ~ normal(-sum(gamma[(t-6):(t-1)]), sigma_s); } y ~ poisson(lambda); } generated quantities{ int y_pred[T]; for(t in 1:T){ y_pred[t] = poisson_rng(lambda[t]); } }
3.2 Stanを利用するRのコード
# 3 stanの利用 data_list <- list( T = nrow(data), y = data$売り上げ ) mcmc_result <- stan( file="20DGLM(ポアソン分布).stan", data=data_list, seed=1, iter = 2000, warmup = 200, chains = 3, thin=1 )
4 分析結果
4.1 コード
# 4 分析結果 ## 4.1 推定結果 print(mcmc_result, pars=c("sigma_w", "sigma_s"), probs = c(0.025, 0.5, 0.975)) ## 4.2 収束の確認 mcmc_sample <- rstan::extract(mcmc_result, permuted=FALSE) mcmc_combo(mcmc_sample, pars=c("sigma_w","sigma_s")) ## 4.3 パラメータの確認 mcmc_sample <- rstan::extract(mcmc_result) func <- function(x){ return (quantile(x, c(0.025, 0.5, 0.975))) } lambda <- apply(mcmc_sample[["lambda"]], 2, func) plot_lambda <- plot + geom_line(aes(y=lambda[2,]), col="blue") + geom_ribbon(aes(ymin=lambda[1,],ymax=lambda[3,]), alpha=0.5, fill="gray", col="blue") + labs(x="日付",y="λ",title="λの推移") mu <- apply(mcmc_sample[["mu"]], 2, func) plot_mu <- plot + geom_line(aes(y=mu[2,]), col="blue") + geom_ribbon(aes(ymin=mu[1,],ymax=mu[3,]), alpha=0.5, fill="gray", col="blue")+ labs(x="日付",y="μ",title="μの推移") gamma <- apply(mcmc_sample[["gamma"]], 2, func) plot_gamma <- plot + geom_line(aes(y=gamma[2,]), col="blue") + geom_ribbon(aes(ymin=gamma[1,],ymax=gamma[3,]), alpha=0.5, fill="gray", col="blue")+ labs(x="日付",y="μ",title="μの推移") gridExtra::grid.arrange(plot_lambda, plot_mu, plot_gamma) ## 4.4 予測分布 y_pred <- apply(mcmc_sample[["y_pred"]], 2, func) plot + geom_point(aes(y=売り上げ個数))+ geom_line(aes(y=y_pred[2,]), col="blue") + geom_ribbon(aes(ymin=y_pred[1,],ymax=y_pred[3,]), alpha=0.5, fill="gray", col="blue") + labs(x="日付",y="売り上げ個数",title="売り上げ個数の推移")
4.2 結果
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