问题

广义线性模型(GLM)和广义线性混合模型(GLMM)怎么区分使用呢?

回答
这问题问得好,实际上很多做统计分析的朋友在刚接触到模型的时候都会有点绕晕,不知道啥时候该用GLM,啥时候又得转向GLMM。别急,咱们一块儿把这俩哥们儿的门道捋清楚,让你以后上手分析的时候心里有数。

先说广义线性模型(GLM)—— 它的“长处”和“局限”

咱们先从GLM说起,这是更基础的模型。你可以把它理解成线性模型(LM)的一个“升级版”。为啥升级呢?因为我们生活中的数据,不一定总是服从正态分布,也不一定总是连续的。

想想看,你去做个问卷调查,比如“满意度”是打1到5分,这是个离散的,不是正态分布;你统计的是一个人会不会买某个产品(是/否),这是二分类的,也不是正态分布。传统的线性模型在这种数据面前就有点力不从心了。

GLM就解决了这个问题。它引入了两个关键概念,让它能处理更多类型的数据:

1. 连接函数(Link Function): 这是GLM的核心魔法。线性模型是直接把自变量线性组合(比如 $eta_0 + eta_1 x_1 + eta_2 x_2$)等于因变量。但对于非正态分布的因变量,直接这样可能不符合逻辑。连接函数的作用就是把因变量的期望值(或者说是其某个函数)与自变量的线性组合连接起来。
举个例子: 如果你的因变量是二分类的(比如购买/不购买),你可以用Logit连接函数。这样,自变量的线性组合就变成了因变量“购买”的概率的对数几率(logodds)。数学上就是:$ ext{logit}(P(Y=1|X)) = logleft(frac{P(Y=1|X)}{1P(Y=1|X)} ight) = eta_0 + eta_1 x_1 + dots$
常见的连接函数还有:
Identity: 就像普通线性模型,用于连续、正态分布的因变量(虽然这时候叫GLM有点多此一举,但理论上是包含的)。
Log: 常用于计数数据,因为计数数据不能是负的,并且对数变换可以把“乘积”关系变成“加法”关系。比如泊松回归。
Inverse: 有时用于描述反应速率等。

2. 概率分布族(Distribution Family): GLM允许因变量服从指数族分布,而不仅仅是正态分布。这个“指数族”是个大家族,包含了很多常见的分布:
正态分布 (Normal): 对应普通线性回归。
二项分布 (Binomial): 对应逻辑回归(二分类结果)。
泊松分布 (Poisson): 对应泊松回归(计数数据,如事件发生的次数)。
伽马分布 (Gamma): 用于连续、非负、偏态的数据,比如等待时间。
逆高斯分布 (Inverse Gaussian): 也用于非负、偏态数据。

所以,GLM的核心思想是:

因变量的分布不一定是正态的。
它服从某个指数族分布。
因变量的期望值(经过某种变换,由连接函数指定)与自变量的线性组合是关联的。

什么时候用GLM?

当你的数据满足以下条件时,GLM是一个很好的选择:

你的研究设计是独立的: 也就是说,你观测到的每一个数据点都是独立于其他数据点的。比如,你随机抽取了一批人进行调查,每个人填写的问卷是独立的。
你的数据不具有分组性或层次性: 你没有把数据组织在不同的组里面,或者数据本身就存在这种嵌套结构(比如,学生在一个班级里,班级在一个学校里)。
因变量的分布不满足普通线性模型的正态性假设。

打个比方: GLM就像一个能适应不同鞋码的鞋匠。你把脚(你的数据)递给他,他会根据你的脚型(分布)和你想走多远(连接函数),给你量身定做一双合适的鞋子(模型)。



现在,咱们聊聊广义线性混合模型(GLMM)—— 它比GLM更“精细”的地方

GLMM可以看作是GLM的一个扩展,它的关键在于引入了“随机效应”(Random Effects)。这有什么用呢?

想想你做研究时遇到的情况:

重复测量数据 (Repeated Measures): 你跟踪同一个人(或同一个实验单位)在不同时间点上的变化。比如,你测量某一群病人在治疗前后、以及治疗后三个月的效果。这三个测量值不是独立的,它们都来自于同一个人,可能存在个体差异。
嵌套数据 (Nested Data) / 分层数据 (Hierarchical Data): 你的数据是按照某种结构组织的。比如,你在不同学校里抽了学生,学生的表现可能受到学生个体、所在班级、所在学校等多个层级因素的影响。同一个学校的学生,或者同一个班级的学生,他们的表现可能比不同学校的学生更相似。
聚集数据 (Clustered Data): 和嵌套数据类似,数据被分成了不同的群组,群组内的个体之间可能存在相关性。

在这些情况下,如果还强行使用GLM,就相当于忽略了数据中的“依赖性”或“相关性”。GLM的“独立性”假设就被打破了。这样做出来的模型系数可能看起来没问题,但你得到的标准误(Standard Error)可能会偏小,导致你对统计显著性的判断产生偏差(觉得很多效应是显著的,但实际上不是)。

GLMM如何解决这个问题?

GLMM通过引入随机效应来捕捉数据中的这种依赖性。

固定效应 (Fixed Effects): 这部分和你GLM里看到的回归系数类似,代表了我们关心的那些效应,比如某个药物对病情的影响,或者某个教学方法对学生成绩的影响。它们是你在模型中明确指定要估计的系数。
随机效应 (Random Effects): 这部分是GLMM的亮点。它们是模型中用来解释“组内相关性”或“个体差异”的。我们通常不直接估计每个随机效应的具体值,而是估计它们的方差(Variance)或者协方差(Covariance)。
举个例子: 在重复测量的数据中,每个个体都有一个“个体效应”,这个个体效应可能与总体平均水平有偏差。我们可以把这个个体效应作为一个随机截距(Random Intercept),让它服从某个分布(比如正态分布),并估计这个分布的方差。这样,模型就能理解“同一组内的数据倾向于更相似”。
在嵌套数据中,你可以有学校层级的随机效应、班级层级的随机效应。

GLMM的数学结构可以概括为:

因变量的分布(也服从指数族)+ 连接函数 + 自变量的线性预测项(包含固定效应)+ 随机效应项

所以,GLMM的核心思想是:

同样允许因变量服从指数族分布,并使用连接函数。
但它同时考虑了数据中的“组内相关性”或“层次结构”,通过引入随机效应来捕捉这种依赖性。

什么时候用GLMM?

当你的数据具有以下特征时,你应该考虑使用GLMM:

数据存在分组、嵌套或层次结构。
存在重复测量,同一研究对象被多次观测。
你怀疑数据点之间不是完全独立的,存在某种相关性。
你需要更精确地估计固定效应的显著性,并且要考虑到随机变异的影响。

打个比方: GLMM就像一个更高级的裁缝,他不仅能根据你的脚型定制鞋子,还能根据你是个运动员还是个慢跑者(随机效应),给你在鞋子里加一点额外的支撑或者减震(捕捉依赖性),让你的行走体验更舒适(模型更准确)。



如何区分使用?一个简单的判断逻辑:

1. 看看你的数据点之间是否独立?
如果绝对独立, 并且因变量是非正态的,那就用 GLM。例如,独立抽样的不同人的购买意愿。
如果不独立, 数据有分组、重复测量或层次结构,那么就需要考虑 GLMM。例如,同一个人在不同时间点的健康评分,或者不同学校里学生的考试成绩。

2. 再问自己一个问题: 我的模型是否需要考虑“随机的个体差异”或“随机的分组效应”?
如果需要,并且你的数据结构支持,就用 GLMM。
如果不需要,或者你的数据设计就是保证了完全独立,那就用 GLM。

总结一下它们的关系和区别:

包含关系: GLM可以看作是GLMM的一个特例,当GLMM中的所有随机效应方差都为零时,它就退化成GLM了(但实际操作中不会这样设置)。
核心区别: 独立性假设。GLM假设观测是独立的,GLMM则通过随机效应来处理观测之间的依赖性。
模型复杂度: GLMM通常比GLM更复杂,需要更多的计算资源和更仔细的模型诊断。
解释: GLMM能帮助你理解不同层级的变异来源,而不仅仅是关注固定效应的平均影响。

实际操作中的建议:

可视化数据: 在开始建模之前,尝试用图表来了解你的数据结构。比如,按组画箱线图,或者绘制重复测量数据的时间序列图。这能帮你直观地感受到数据是否存在依赖性。
先尝试GLM: 如果你不确定,并且数据看起来像是独立的,可以先用GLM作为基线模型。然后检查残差或拟合优度,看看是否有迹象表明独立性假设被违反了。
考虑GLMM, if...: 如果你的研究设计本来就涉及重复测量、分组等,或者你从数据可视化中发现明显的组间差异且组内数据可能相关,那么GLMM是更合适的选择。
模型诊断: 无论是GLM还是GLMM,模型诊断都是非常重要的一步。要检查残差的分布、是否存在异方差、模型的拟合优度等。对于GLMM,还需要关注随机效应的方差估计是否合理。

希望这段解释能让你把GLM和GLMM这两个模型区分清楚,并且知道在什么时候该“请谁出山”来帮你分析数据。关键在于理解你的数据结构和潜在的依赖关系。

网友意见

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什么情况下可以用GLM,什么情况下必须用GLMM呢

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