NLS - 会聚误差

Question

对于这个数据集：

dat = structure(list(x = c(5L, 5L, 5L, 5L, 10L, 10L, 10L, 10L, 15L, 
15L, 15L, 15L, 17L, 17L, 17L, 17L, 20L, 20L, 20L, 20L, 20L, 20L, 
20L, 20L, 22L, 22L, 22L, 22L, 24L, 24L, 24L, 24L, 25L, 25L, 25L, 
25L, 27L, 27L, 27L, 27L, 30L, 30L, 30L, 30L, 35L, 35L, 35L, 35L), 
y = c(2.2, 2.2, 1.95, 1.9, 4.1, 3.95, 3.75, 3.4, 5.15, 4.6, 
4.75, 5.15, 3.7, 4.1, 3.9, 3.5, 7, 6.7, 6.7, 6.95, 4.95, 6, 6.45, 
6.4, 7, 4.45, 6.15, 6.4, 7, 6.6, 6.7, 7, 4.5, 4.7, 5.75, 4.35, 
5.4, 5.15, 5.7, 5.7, 0, 0, 0.5, 0, 0, 0, 0, 0)), .Names = c("x", "y"), 
row.names = c(6L, 7L, 8L, 9L, 10L, 11L, 12L, 13L, 14L, 
15L, 16L, 17L, 34L, 35L, 36L, 37L, 18L, 19L, 20L, 21L, 38L, 39L, 
40L, 41L, 42L, 43L, 44L, 45L, 46L, 47L, 48L, 49L, 22L, 23L, 24L, 
25L, 50L, 51L, 52L, 53L, 26L, 27L, 28L, 29L, 30L, 31L, 32L, 33L), 
class = "data.frame") 

其中 “x” 是温度和 “y” 是一个生物过程

我想要的响应变量适合这种功能

beta.reg<-function(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1) { 
Yopt*((x-Tmin)/(Topt-Tmin))^(b1*(Topt-Tmin)/(Tmax-Topt))*((Tmax-x)/(Tmax-Topt))^b1 
} 

mod <- nls(y ~ beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1), data=dat, 
     start=c(Yopt=6, Tmin=0.1, Topt=24, Tmax=30, b1=1), 
     control=nls.control(maxiter=800)) 

不过，我在此消息的错误：

Error en numericDeriv(form[[3L]], names(ind), env) : Missing value or an infinity produced when evaluating the model

我试过同样的功能与其他类似的数据集，并正确地配合......

rnorm<-(10) 
y <- c(20,60,70,49,10) 
rnorm<-(10) 
y <- c(20,60,70,49,10) 
dat<-data.frame(x = rep(c(15,20,25,30,35), times=5), 
       rep = as.factor(rep(1:5, each=5)), 
       y = c(y+rnorm(5), y+rnorm(5),y+rnorm(5),y+rnorm(5),y+rnorm(5))) 

有人能帮助我吗？

会议信息：

R version 3.1.1 (2014-07-10) 
Platform: x86_64-pc-linux-gnu (64-bit) 

attached base packages: 
[1] stats  graphics grDevices utils  datasets methods base  

other attached packages: 
[1] nlme_3.1-118  latticeExtra_0.6-26 RColorBrewer_1.0-5 lattice_0.20-29  

loaded via a namespace (and not attached): 
[1] grid_3.1.1 tools_3.1.1 

Answer 1

这里有这么多的问题，我怀疑它能够充分地在SO后覆盖，但这应该让你开始。

首先，它看起来像你想Tmax < max(dat$x)，例如，< 35.这会导致一个问题，因为那么Tmax - x < 0为x一些值，当你试着去养一个负数的功率（在公式的第二项），你会得到NA的。这是错误信息的原因。

其次，非线性模型的收敛依赖于模型公式，也是数据，从而使过程与一组数据的收敛而不是另一个是完全不相关的事实。

第三，非线性建模平方残差之和最小化迭代作为参数的函数。如果RSS表面有本地最小值，并且您的start接近1，则算法会找到它。但只有全球最低是真正的解决方案。你的问题有很多很多局部最小值。

四，nls(...)默认使用高斯牛顿方法。高斯牛顿以移位参数（参数被添加到预测变量或从预测变量中减去而出名）是不稳定的，因此在你的情况下为Tmin和Tmax。幸运的是，minpak.lm包实现了Levenberg Marquardt方法，该方法在这些条件下更加稳定。该包中的nlsLM(...)函数使用与nls(...)相同的调用顺序，并返回nls类型的对象，因此该类对象的所有方法也可以正常工作。使用它。

第五，在非线性回归一个基本的假设（事实上所有最小二乘回归）是残差是正态分布的。所以你必须使用Q-Q图验证任何解决方案。

第六，你的模型有一个反常的特征。当Tmin -> -Inf模型中的第一项接近1。事实证明，这会产生比任何其他小于min(dat$x)的值更低的RSS，因此算法都倾向于将Tmin驱动为较大的负值。你可以很容易地看到如下：

library(minpack.lm) 
mod <- nlsLM(y ~ beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1), data=dat, 
      start=c(Yopt=6,Tmin=0,Topt=24,Tmax=50, b1=1), 
      control=nls.lm.control(maxiter=1024,maxfev=1024)) 
coef(summary(mod)) 
#   Estimate Std. Error  t value  Pr(>|t|) 
# Yopt 6.347019 0.2919686 21.73870235 8.055342e-25 
# Tmin -155.530098 2204.0011003 -0.07056716 9.440694e-01 
# Topt 21.157545 0.6702713 31.56564484 2.240134e-31 
# Tmax 35.000000 11.4838614 3.04775537 3.933164e-03 
# b1  3.321326 9.1844548 0.36162468 7.194035e-01 
sum(residuals(mod)^2) 
# [1] 50.24696 

par(mfrow=c(1,2)) 
plot(y~x,dat) 
with(as.list(coef(mod)),curve(beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1),add=TRUE)) 
qqnorm(residuals(mod)) 

这看起来像一个相当不错的配合但它不是：在QQ图表明残差不正常的远程。 Tmin和b1的估计值很差，而Tmin的值在物理上没有意义，这是数据问题，而不是合适的。

第七，事实证明，上面的适合实际上是一个本地最低。我们可以通过在Tmin,Tmax和b1（省略Yopt和Topt以节省时间，并且因为这些参数很好地估计而不考虑起点）来进行网格搜索来看到这一点。

init <- c(Yopt=6, Topt=24) 
grid <- expand.grid(Tmin= seq(0,4,len=100), 
        Tmax= seq(35,100,len=10), 
        b1 = seq(1,10,len=10)) 
mod.lst <- apply(grid,1,function(gr){ 
    nlsLM(y ~ beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1), data=dat, 
     start=c(init,gr),control=nls.control(maxiter=800)) }) 
rss <- sapply(mod.lst,function(m)sum(residuals(m)^2)) 
mod <- mod.lst[[which.min(rss)]] # fit with lowest RSS 
coef(summary(mod)) 
#  Estimate Std. Error  t value  Pr(>|t|) 
# Yopt 6.389238 0.2534551 25.208557840 2.177168e-27 
# Topt 22.636505 0.5605621 40.381798589 7.918438e-36 
# Tmin 35.000002 104.6221159 0.334537316 7.396005e-01 
# Tmax 36.234602 133.4987344 0.271422809 7.873647e-01 
# b1 -41.512912 7552.0298633 -0.005496921 9.956395e-01 
sum(residuals(mod)^2) 
# [1] 34.24019 

plot(y~x,dat) 
with(as.list(coef(mod)),curve(beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1),add=TRUE)) 
qqnorm(residuals(mod)) 

数学上，这是一个明显优于契合：RSS较低，残差更接近正态分布。同样，参数估计不准确且物理意义不大的事实是数据（也可能是模型公式）的问题，而不是拟合过程。

以上所有情况都表明您的模型存在问题。在数学上，它的一个问题是该函数在(Tmin,Tmax)之外的x未定义。由于数据输出为x=35，所以拟合算法决不会产生Tmax < 35（如果它收敛）。处理这个问题的方法会稍微改变你的模型函数，在该范围之外将其剪切为0。 （我不知道这是否合法，基于你的问题的物理性质，尽管...）。

beta.reg<-function(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1) { 
    ifelse(x>Tmax,0, 
    ifelse(x<Tmin,0, 
     Yopt*((x-Tmin)/(Topt-Tmin))^(b1*(Topt-Tmin)/(Tmax-Topt))*((Tmax-x)/(Tmax-Topt))^b1 
)) 
} 

运行上述具有这种功能的产率的代码：

coef(summary(mod)) 
#   Estimate Std. Error  t value  Pr(>|t|) 
# Yopt 6.1470413 0.21976766 27.970636 3.202940e-29 
# Tmin -52.8172658 184.16899439 -0.286787 7.756528e-01 
# Topt 23.0777898 0.63750721 36.200045 7.638121e-34 
# Tmax 30.0039413 0.02529877 1185.984187 1.038918e-98 
# b1  0.5966129 0.32439982 1.839128 7.280793e-02 

sum(residuals(mod)^2) 
# [1] 28.10144 

par(mfrow=c(1,2)) 
plot(y~x,dat) 
with(as.list(coef(mod)),curve(beta.reg(x, Yopt,Tmin,Topt,Tmax, b1),add=TRUE)) 
qqnorm(residuals(mod)) 
qqline(residuals(mod)) 

事实上网格搜索产率完全相同的结果独立起点。请注意，RSS低于早期模型的任何结果，并且b1估计得更好（并且非常有效，与使用较早模型函数的估计不同）。残差仍然不正常，但在这种情况下，我想检查数据中的异常值。

Answer 2

向@jlhoward的另一个可能的解决方案添加...

我发现这个nls2包：

library("nls2") 

从原始数据集Exludying x~17,35：

newdat <- subset(dat, x!=17 & x!=35) 

应用功能，以减少数据集：

beta.reg<-with(newdat, 
      y ~ Yopt*((x-Tmin)/(Topt-Tmin))^(b1*(Topt-Tmin)/(Tmax-Topt))*((Tmax-x)/Tmax-Topt))^b1 
      ) 

创建一套首发：

st1 <- expand.grid(Yopt = seq(4, 8, len = 4), 
        Tmin = seq(0, 4, len = 4), 
        Topt = seq(15, 25, len = 4), 
        Tmax= seq(28, 38, len = 4), 
        b1 = seq(0, 4, len = 4)) 

拟合模型：

mod <- nls2(beta.reg, start = st1, algorithm = "brute-force") 

提取系数：

round(coef(summary(mod)),3) 

#  Estimate Std. Error t value Pr(>|t|) 
# Yopt 6.667  0.394 16.925 0.000 
# Tmin 0.000  12.023 0.000 1.000 
# Topt 21.667  0.746 29.032 0.000 
# Tmax 31.333  1.924 16.289 0.000 
# b1  1.333  1.010 1.320 0.197 

诊断：

sum(residuals(mod)^2) 

# [1] 50.18246 

最后，调整后的功能和QQ正常的情节：

par(mfrow=c(1,2)) 
with(newdat,plot(y~x,xlim=c(0,35))) 
points(fitted(mod)~I(newdat$x), pch=19) 
with(as.list(coef(mod)), 
curve(
    Yopt*((x-Tmin)/(Topt-Tmin))^(b1*(Topt-Tmin)/(Tmax-Topt))*((Tmax-x)/(Tmax-Topt))^b1, 
    add=TRUE, col="red")) 

qqnorm(residuals(mod)) 
qqline(residuals(mod))