Estimation polynomiale locale pour une moyenne de petit domaine sous échantillonnage informatif
Section 5. Étude de simulation
Le
paramétrage de cette étude par simulation suit celui de Verret et coll.
(2015). Nous avons considéré une population comptant
15
petits domaines et
15
unités par petit domaine. Nous avons opté pour ces valeurs relativement faibles
de domaines et d’unités pour alléger les calculs. Nous avons employé une seule
variable auxiliaire
Nous avons généré les valeurs
de
population à partir d’une distribution gamma à moyenne 10 et à variance 50. Nous
avons produit les valeurs
de
population par le modèle
où
et
avec
0,5 et
2.
Nous avons pris en compte une taille
unique d’échantillon,
3,
à l’intérieur d’un petit domaine. Nous avons procédé par échantillonnage de
Poisson conditionnel (EPC) pour prélever des échantillons non équiprobables
dans les petits domaines, les probabilités étant proportionnelles aux tailles
spécifiées
(voir Tillé, 2006, chapitre 5). Nous
avons examiné deux choix de tailles
dans l’étude de simulation. Le premier
choix était
où
Les mesures de taille en (5.2) équivalent
à celles de Pfeffermann et Sverchkov (2007) dans leur propre étude de simulation
et satisfont la relation en (2.5) pour les poids
Dans un second choix de mesures de taille
d’après Asparouhov (2006), nous prenons deux mesures invariante (I) et non
invariante (NI). Dans la mesure invariante,
est
indépendant de
étant donné
sinon il s’agit de la mesure non invariante. Les
mesures de taille invariantes sont données par
Les mesures non invariantes le sont
par
où la paire aléatoire
se génère indépendamment de
par les mêmes distributions
comme
et
Ce sont les mesures de taille
retenues par Asparouhov (2006). Le coefficient
permet de tenir compte de la
variation des poids et la valeur
du degré de contenu informatif
du plan de sondage. Nous avons choisi
0,5 et
et
correspondant à la pluralité de
degrés de contenu informatif venant de
en (5.3) et (5.4). Si
augmente, le contenu informatif
diminue;
correspond à un échantillonnage
non informatif. Si certains
dépassaient l’unité, nous les
avons fixés à un et recalculé les probabilités pour les unités restantes.
5.1 Rendement
de l’estimateur polynomial local de
Nous avons comparé le biais et l’erreur
quadratique moyenne des estimateurs
et
L’estimateur EBLUP
fondé sur (1.1) présuppose que le modèle
d’échantillon coïncide avec le modèle de population, faisant ainsi abstraction
du contenu informatif du plan d’échantillonnage. Nous avons étudié deux
versions de
examinées par Verret et coll. (2015) pour
divers choix de
rendant compte du contenu informatif. Il
s’agit d’estimateurs EBLUP fondés sur le modèle d’échantillon augmenté en
(1.2). Ils sont désignés par
quand
et
par
quand
Nous présentons les résultats seulement pour
ces fonctions
car
elles sont d’un meilleur rendement que les autres fonctions dans Verret et coll.
(2015). Précisons enfin que
représente notre nouvel estimateur polynomial
local.
Nous avons calculé le biais et l’erreur
quadratique moyenne des estimateurs à l’aide de
1 000
échantillons en simulation prélevés dans un traitement plan-modèle. Dans chaque
passage,
nous avons d’abord produit les valeurs
de population selon le modèle de population en (5.1) et calculé
la
moyenne du petit domaine
dans la
population générée. Nous avons ensuite tiré
des échantillons de taille
à
l’intérieur des petits domaines dans un échantillonnage de Poisson conditionnel
où les probabilités étaient proportionnelles aux tailles spécifiées
en
(5.2) pour les mesures de taille PS de Pfeffermann et Sverchkov (2007) et en
(5.3) et (5.4) pour les mesures invariantes et non invariantes AP d’Asparouhov
(2006). Avec chaque échantillon
en simulation
nous avons établi les estimations
et
pour chaque petit domaine
Nous avons trouvé une largeur de bande
optimale
pour
en
appliquant le critère de validation croisée. Une grille de la forme (0,01;
0,02; 0,03;…; 0,15) nous a donné les valeurs possibles de
dans les populations générées en (5.1).
Pour un estimateur donné de la moyenne de
petit domaine
nous avons considéré les mesures de rendement
suivantes :
Biais absolu moyen
où
Racine de l’erreur quadratique moyenne (REQM)
Le tableau 5.1 présente le biais absolu moyen
des estimateurs
et
avec les mesures de taille PS en
(5.2) et AP en (5.3 et 5.4) pour
et
Tableau 5.1
Biais absolu moyen des mesures de taille PS et AP
Sommaire du tableau
Le tableau montre les résultats de Biais absolu moyen
des mesures de taille PS et AP. Les données sont présentées selon Estimateur Génération de
(titres de rangée),
sans
et
et (figurant comme en-tête de colonne).
| Estimateur |
sans
|
|
|
|
| Génération de
|
| PS |
0,309 |
0,020 |
0,004 |
0,011 |
| AP |
|
I |
0,431 |
0,002 |
0,036 |
0,004 |
| NI |
0,425 |
0,010 |
0,035 |
0,005 |
|
|
I |
0,206 |
0,017 |
0,022 |
0,024 |
| NI |
0,219 |
0,019 |
0,016 |
0,016 |
|
|
I |
0,139 |
0,005 |
0,012 |
0,033 |
| NI |
0,137 |
0,008 |
0,013 |
0,019 |
|
|
I |
0,008 |
0,008 |
0,008 |
0,026 |
| NI |
0,006 |
0,006 |
0,006 |
0,021 |
Comme on le fait observer dans Verret et coll.
(2015), le
de
l’estimateur EBLUP
avec la seule variable auxiliaire
est
bien plus élevé que les estimateurs fondés sur les modèles augmentés
et
et
la méthode polynomiale locale. Cela se vérifie quelle que soit la façon dont
les mesures de taille sont générées (PS ou AP). Le
de
prend sa plus grande valeur (0,431) lorsque le
plan de sondage est très informatif
et
diminue à mesure que
augmente. Cette observation vaut également
pour les estimateurs fondés sur les modèles augmentés. L’inclusion de
ou
de
en
variable d’augmentation dans le modèle donne de petites valeurs
la
plus haute étant de 0,036. Si nous comparons les
de
l’estimateur polynomial local
aux
des
modèles augmentés VRH, nous constatons qu’ils sont comparables pour
et
et
un peu plus élevés pour
Le tableau 5.2 présente les données
de simulation de la racine de l’erreur quadratique moyenne
des
estimateurs pour les mesures de taille PS en (5.2) et AP en (5.3 et 5.4) et
pour
et
L’estimateur EBLUP,
avec le modèle (1.1) et sans la variable
d’augmentation
a
les valeurs
les
plus hautes (0,740 pour I et 0,752 pour NI) avec les mesures de taille AP
correspondant à
la
valeur est de 0,685 pour les mesures de taille PS. Les valeurs
décroissent à mesure que croît
avec 0,608 pour I et 0,610 pour NI dans le cas
d’un échantillonnage non informatif
Les valeurs
pour
et
sont significativement moindres que celles de
dans le cas d’un échantillonnage très
informatif
et
pour la mesure de taille PS. Il existe de légères différences de
entre la méthode non paramétrique et la
méthode paramétrique dans Verret et coll. (2015).
Tableau 5.2
Racine de l’erreur quadratique moyenne
pour les mesures de taille PS et AP
Sommaire du tableau
Le tableau montre les résultats de Racine de l’erreur quadratique moyenne
pour les mesures de taille PS et AP. Les données sont présentées selon Estimateur
Génération de
(titres de rangée),
sans ,
, ,
et
(figurant comme en-tête de colonne).
| Estimateur |
sans
|
|
|
|
| Génération de
|
| PS |
0,685 |
0,229 |
0,200 |
0,200 |
| AP |
|
I |
0,740 |
0,089 |
0,170 |
0,087 |
| NI |
0,752 |
0,158 |
0,200 |
0,149 |
|
|
I |
0,644 |
0,562 |
0,568 |
0,557 |
| NI |
0,650 |
0,557 |
0,555 |
0,555 |
|
|
I |
0,617 |
0,588 |
0,591 |
0,612 |
| NI |
0,619 |
0,587 |
0,589 |
0,607 |
|
|
I |
0,608 |
0,619 |
0,621 |
0,626 |
| NI |
0,610 |
0,622 |
0,625 |
0,629 |
Quand l’échantillonnage est moins
informatif
l’estimateur linéaire local
est
meilleur que l’estimateur
mais ses valeurs
sont un peu plus élevées que celles des
estimateurs paramétriques
et
Nous observons dans ce cas que la fonction
estimée
est
proche d’un tracé plat, d’où l’implication que l’approximation linéaire locale
ne convient pas aussi bien. Cela explique que
soit légèrement pire que
et
avec un faible degré de contenu informatif de
l’échantillonnage. Un estimateur polynomial local est d’un bon rendement
lorsque la fonction
est
significativement non constante.
Avec un échantillon non informatif
l’emporte sur
et
dans les mesures invariantes ou non. Cette
conclusion s’écarte quelque peu de celle de Verret et coll. (2015), là où,
pour
leurs estimateurs
et
ont
des valeurs égales
et
Verret et coll. (2015) employaient des
populations et des échantillons plus grands, ce qui pourrait expliquer que
leurs modèles augmentés aient produit des estimations aussi bonnes que le
modèle de population avec des plans d’échantillonnage non informatifs. Dans
notre paramétrage de simulation, nous avons constaté que
et
pour l’EBLUP sont petits lorsque les valeurs
sont de plus de 6, ce qui correspond à un plan
de sondage presque non informatif. Nous recommandons en pareil cas d’utiliser
l’estimateur EBLUP.
5.2 Rendement
des estimateurs de l’EQM
Considérons maintenant le rendement des
méthodes bootstrap d’estimation de l’EQM des estimateurs EBLUP et VRH et de
l’estimateur polynomial local. Soit
un
estimateur de
et
l’estimateur bootstrap de
En
prévoyant
1 000
populations et échantillons en simulation, nous avons d’abord pris la mesure
des valeurs EQM comme
où
est la moyenne réelle et où
est la valeur de l’estimateur
pour la
population. Soit
l’estimateur bootstrap de
Il est désigné par
pour l’estimateur EBLUP
et correspond à la méthode
bootstrap paramétrique (inconditionnelle) à l’équation (4.2). Pour notre
estimateur polynomial local
et les estimateurs de Verret et coll.
(2015),
et
les valeurs d’erreur quadratique
moyenne, désignées par
et
pour
et
respectivement, se calculent par
la méthode bootstrap paramétrique conditionnelle à la section 4. Pour
chaque échantillon prélevé sur la
population en simulation
nous avons pris
400 bootstraps pour calculer la
valeur de
que nous désignons par
Nous avons envisagé deux mesures
pour évaluer le rendement de
à savoir le biais relatif absolu
et l’intervalle de confiance moyens. Ces mesures se définissent ainsi :
Biais relatif absolu moyen :
où
Niveau de confiance moyen :
où
et
Le
tableau 5.3 présente les données de simulation du biais relatif moyen
des
estimateurs de l’EQM tant pour les deux mesures de taille PS (5.2) que pour les
mesures d’Asparouhov (5.3 et 5.4) et avec
et
Tableau 5.3
Biais relatif moyen (%) de l’erreur quadratique moyenne mse
pour les mesures de taille PS et AP
Sommaire du tableau
Le tableau montre les résultats de Biais relatif moyen (%) de l’erreur quadratique moyenne
pour les mesures de taille PS et AP. Les données sont présentées selon Estimateur
Génération de
(titres de rangée),
sans , , ,
et
(figurant comme en-tête de colonne).
| Estimateur |
sans
|
|
|
|
| Génération de
|
| PS |
25,4 |
3,9 |
3,4 |
7,7 |
| AP |
|
I |
39,9 |
9,7 |
14,4 |
7,5 |
| NI |
46,6 |
4,1 |
8,7 |
10,0 |
|
|
I |
16,0 |
2,9 |
3,8 |
5,9 |
| NI |
21,4 |
3,8 |
3,5 |
5,8 |
|
|
I |
13,4 |
6,1 |
6,4 |
5,8 |
| NI |
15,4 |
7,3 |
7,4 |
8,8 |
|
|
I |
4,6 |
4,2 |
4,5 |
6,2 |
| NI |
6,1 |
6,4 |
6,3 |
6,9 |
Le
de
selon le modèle sans la variable
d’augmentation
est
très élevé pour un échantillonnage très informatif
nous obtenons 39,9 % pour I et
46,6 % pour NI. Le
diminue progressivement pour s’établir à
5 % environ avec un échantillonnage non informatif
En
général, le
des estimateurs paramétriques ou non est inférieur à 10 %, la
seule exception étant les 14,4 % de l’estimateur
assorti de la variable d’augmentation
Le
tableau 5.4 présente les données de simulation du niveau de confiance
moyen
lié
aux estimateurs de l’EQM pour les mesures de taille PS (5.2) et AP (5.3 et 5.4)
et pour
et
et
un niveau nominal de 0,95.
Tableau 5.4
Niveau de confiance moyen de l’erreur quadratique moyenne
pour les mesures de taille PS et AP
Sommaire du tableau
Le tableau montre les résultats de Niveau de confiance moyen de l’erreur quadratique moyenne
pour les mesures de taille PS et AP. Les données sont présentées selon Estimateur
Génération de
(titres de rangée),
sans , , et
(figurant comme en-tête de colonne).
| Estimateur |
sans
|
|
|
|
| Génération de
|
| PS |
0,898 |
0,937 |
0,941 |
0,936 |
| AP |
|
I |
0,856 |
0,918 |
0,908 |
0,928 |
| NI |
0,834 |
0,930 |
0,920 |
0,934 |
|
|
I |
0,916 |
0,937 |
0,936 |
0,932 |
| NI |
0,907 |
0,936 |
0,933 |
0,936 |
|
|
I |
0,922 |
0,927 |
0,926 |
0,934 |
| NI |
0,918 |
0,930 |
0,933 |
0,926 |
|
|
I |
0,937 |
0,935 |
0,935 |
0,938 |
| NI |
0,934 |
0,934 |
0,933 |
0,931 |
L’estimateur EBLUP
accuse le pire taux de couverture lorsque le
plan de sondage est très informatif. Le taux s’améliore à mesure que diminue le
contenu informatif. Le taux de couverture des autres estimateurs s’établit
entre 93 % et 95 % sauf pour
(assorti de
dont le taux est légèrement moindre.
5.3
Inclusion d’une variable d’augmentation
L’estimation polynomiale locale nous donne
un mode automatique d’obtention d’un modèle augmenté raisonnable en fonction
des probabilités de sélection
Toutefois, comme nous ignorons si le plan
d’échantillonnage est informatif ou non, ne devrions-nous pas toujours prévoir
une variable d’augmentation dans le modèle ? Si le plan de sondage n’est
pas informatif, il est raisonnable de choisir le modèle en (1.1). À noter que,
dans ce cas, l’inclusion de la variable d’augmentation,
ou
influe très peu sur le biais relatif absolu
soit de l’estimateur soit de l’EQM estimé. La conclusion est semblable dans
Verret et coll. (2015) avec leurs tailles supérieures de population et
d’échantillon.
La même question se pose à propos de
l’application de la procédure d’estimation polynomiale locale, mais la
conclusion n’est pas aussi nette. Si le plan est très informatif, l’estimation
polynomiale locale gagne pour le biais absolu et l’erreur quadratique moyenne
lorsque
ou
Si
le plan se fait moins informatif
le
traitement paramétrique de Verret et coll. (2015) représente un meilleur
choix, mais par une très faible marge.
Dans la pratique, la valeur de
est
inconnue et la décision est à prendre d’employer la variable d’augmentation
dans un modèle paramétrique ou non. Nous appliquons à cette fin la procédure
proposée par Verret et coll. (2015) et voyons quelque peu comment doit
s’orienter le choix pour un ensemble quelconque de données. Définissons
et
ajustons le modèle suivant
aux
données d’échantillon par les moindres carrés ordinaires (MCO). Les résidus
sont
où
et
sont les estimateurs MCO de
et
respectivement. La figure 5.1 présente
les courbes des résidus de
pour les mesures AP et pour
et
dans le cas de l’invariance. Quand
la
relation entre
et
est
clairement linéaire, d’où l’idée que le plan est informatif. Quand
augmente, le plan devient moins informatif. Il
convient de noter que
est
une constante lorsque
Les
mêmes observations s’imposent dans le cas des mesures non invariantes. Avec les
mesures de taille PS, le tracé ressemble à celui de la figure 5.1 quand

Description de la figure 5.1
Figure
présentant quatre graphiques en nuages de points pour
est sur l’axe des y, allant de -6 à 6.
est sur l’axe des x, allant de 0 à 7. Quand
la relation entre
et
est linéaire. Quand
augmente, la relation linéaire s’estompe.
est une constante autour de 4 quand
Le
tableau 5.5 présente les coefficients de corrélation estimés
pour les mesures de taille PS et AP et pour
et
Tableau 5.5
Coefficient de corrélation estimé
pour les mesures de taille PS et AP
Sommaire du tableau
Le tableau montre les résultats de Coefficient de corrélation estimé
pour les mesures de taille PS et AP. Les données sont présentées selon Coefficient de corrélation estimé (titres de rangée) et AP, PS et , , et
(figurant comme en-tête de colonne).
| Coefficient de corrélation estimé |
AP |
PS |
|
|
|
|
|
| I |
NI |
I |
NI |
I |
NI |
I |
NI |
|
|
0,870 |
0,850 |
0,450 |
0,510 |
0,240 |
0,210 |
0,007 |
0,001 |
0,800 |
Pour ce qui
est de
nous avons vu à la section 5.1 que
l’emporte sur les estimateurs fondés sur des
modèles augmentés pour
Des résultats non mentionnés au
tableau 5.5 indiquent que, pour
la valeur absolue du coefficient de
corrélation est de moins de 0,1.
En s’appuyant sur cette simulation limitée, l’utilisateur pourrait arrêter son
choix de l’estimateur à utiliser pour un ensemble de données réelles : i.
si
est supérieur à 0,5, il emploiera
ii.
s’il est inférieur à 0,1, il optera pour
iii. dans les autres cas, il choisira
ou