Ajustement de pondération hiérarchique bayésienne et inférence d’enquête
Section 6. Analyse
Nous combinons la prédiction bayésienne et la pondération en une approche unifiée pour l’inférence d’enquête. La régression multiniveau avec distributions a priori structurées et la poststratification appliquée à l’inférence de population permettent une estimation efficace si elles tiennent compte des caractéristiques du plan de sondage. Le calcul se fait au moyen de Stan et est rendu disponible dans le paquet rstanarm en R pour le public. L’évolution des logiciels favorise les approches par modèle dans la recherche et l’exécution d’enquête. Nous construisons une pondération par modèle stable et calée pour résoudre les problèmes de la pondération classique. Dans le présent article, nous développons le cadre de prédiction et de pondération par modèle et apportons une première contribution à l’évaluation des propriétés statistiques de la pondération par modèle. Nous mettons en comparaison cette pondération et la pondération classique. Les poids par modèle font l’objet d’un lissage sur les cellules de poststratification et améliorent l’estimation sur petits domaines.
La distribution a priori structurée exploite la structure hiérarchique entre les effets principaux et les termes d’interaction d’ordre supérieur pour introduire des contraintes multiplicatives sur les paramètres d’échelle correspondants. Elle vient informer la sélection des variables. Il est possible d’améliorer le modèle après le post traitement des inférences a posteriori. Le modèle structurel bayésien rend l’inférence plus stable qu’avec les distributions a priori indépendantes. L’hypothèse posée d’une hiérarchie pourrait ne pas être valide dans certains cas spéciaux comme pour le problème « ou exclusif » où deux variables n’ont pas d’effets principaux, mais une parfaite interaction. Nous n’avons néanmoins aucune preuve solide dans les études d’application à opposer à la notion de vraisemblance d’un traitement hiérarchique. Qui plus est, un cadre unifié de prédiction et de pondération est bien armé pour traiter les cas de plans de sondage complexes et de mégadonnées dans les enquêtes, qu’il s’agisse des données de flux ou des combinaisons d’enquêtes.
Le cadre général de la régression multiniveau et de la postratification (RMP) se prête à l’adoption de stratégies souples de modélisation. Dans cet article, nous illustrons la chose par un modèle de régression avec l’ensemble des variables d’intérêt et les interactions d’ordre supérieur et intégrons des distributions a priori structurées à des fins de régularisation. D’autres méthodes (modèles non paramétriques, outils d’apprentissage automatique, etc.) peuvent s’appliquer dans ce même cadre et s’avèrent robustes à l’égard des erreurs de spécification de modèle. Si et coll. (2015) se servent de modèles de régression à processus gaussien pour emprunter de l’information à la structure de cellules de poststratification selon les distances entre les poids à probabilités inverses d’inclusion. D’autres possibilités consisteraient à appliquer de telles approches souples au lissage des poids et au calcul d’une pondération par modèle.
Les vastes possibilités d’application qui s’offrent ne vont pas sans un certain nombre de défis à étudier. La pondération par modèle est dépendante des résultats, d’où un gain d’efficacité mais une perte possible de robustesse. Les organisateurs d’enquêtes préfèrent un ensemble de poids pouvant servir à une analyse générale sans une sensibilité à la sélection des résultats. Nous pouvons comparer différentes pondérations construites selon plusieurs résultats importants et procéder à une analyse de sensibilité. Là où la pondération par modèle donne des conclusions d’inférence différentes, nous recommandons de choisir la pondération qui donne les résultats les plus raisonnables en appliquant la science, tout comme de s’aligner sur l’inférence de population.
Les distributions marginales pondérées des variables de calage diffèrent quelque peu des inférences de population (voir la section 5), lesquelles ne respectent pas la norme habituelle de diagnostic de pondération des organisateurs d’enquêtes. La pondération par modèle tend à apparier la distribution conjointe à celle dans la population, mais le lissage des poids peut introduire un biais. Il est possible d’inclure des contraintes optionnelles au modèle pour rencontrer les distributions marginales.
Un autre défi d’ordre pratique est que la distribution de population des variables de calage peut être inconnue. Dans ce cas, les tailles des cellules de poststratification de population ne seront pas connues. Il nous faut un modèle supplémentaire pour l’estimation de cette information dans l’échantillon. Il nous faut l’intégrer au cadre RMP pour propager toutes les sources d’incertitude en complément, comme dans le cadre de Si et Zhou (2020), par l’incorporation dans le modèle des distributions marginales connues. Les inférences par prédiction et pondération par modèle doivent encore être développées de manière à pouvoir traiter les résultats discrets, l’inférence sur coefficients de régression et les plans de sondage non probabilistes ou informatifs (Kim et Skinner, 2013). Il serait bon de faire le lien entre ces idées sur l’inférence d’enquête et les études biostatistiques et économétriques sur les scores inverses de propension et la pondération à double robustesse (Kang et Schafer, 2007).
Remerciements
Nous remercions la National Science Foundation, les National Institutes of Health, l’Office of Naval Research, l’Institute of Education Sciences et la Sloan Foundation pour l’aide apportée sous forme de subventions.
Annexes
A. Exemple de code
Nous présentons ici le code de l’application décrite dans les données. Nous avons formulé une fonction model_based_cell_weights pour calculer la pondération par modèle dans le cas d’un modèle rstanarm ajusté.
model_based_cell_weights <− function(object, cell_table) {stopifnot(
is.data.frame(cell_table),
colnames(cell_table) == c("N", "n")
)
draws <− as.matrix(object)
Sigma <− draws[, grep("^Sigma\\[", colnames(draws)), drop = FALSE]
sigma_theta_sq <− rowSums(Sigma)
sigma_y_sq <− draws[, "sigma"]^2
Ns <− cell_table[["N"]] # population cell counts
ns <− cell_table[["n"]] # sample cell counts
J <− nrow(cell_table)
N <− sum(Ns)
n <− sum(ns)
# implementing equation 7 in the paper (although i did some algebra first to
# simplify the expression a bit)
Nsy2 <− N * sigma_y_sq
ww <− matrix(NA, nrow = nrow(draws), ncol = J)
for (j in 1:J) {
ww[, j] <−
(Nsy2 + n * Ns[j] * sigma_theta_sq) / (Nsy2 + N * ns[j] * sigma_theta_sq)
}
return(ww)
}
# prepare population data: acs_ad has age, eth, edu and inc
acs_ad %>%
mutate(
cell_id = paste0(age, eth, edu, inc)
) −> acs_ad
acs_design <− svydesign(id = ~1, weights = ~perwt, data = acs_ad)
agg_pop <−
svytable( ~ age + eth + edu + inc, acs_design) %>%
as.data.frame() %>%
rename(N = Freq) %>%
mutate(
cell_id = paste0(age, eth, edu, inc)
) %>%
filter(cell_id %in% acs_ad$cell_id)
# prepare data to pass to rstanarm
# SURVEYdata has 4 variables used for weighting: age, eth, edu and inc; and outcome Y
dat_rstanarm <−
SURVEYdata %>%
mutate(
cell_id = paste0(age, eth, edu, inc)
)%>%
group_by(age, eth, edu, inc) %>%
summarise(
sd_cell = sd(Y),
n = n(),
Y = mean(Y),
cell_id = first(cell_id)
) %>%
mutate(sd_cell = if_else(is.na(sd_cell), 0, sd_cell)) %>%
left_join(agg_pop[, c("cell_id", "N")], by = "cell_id")
# Stan fitting under structured prior in rstanarm
fit <−
stan_glmer(
formula =
Y ~ 1 + (1 | age) + (1 | eth) + (1 | edu) + (1 | inc) +
(1 | age:eth) + (1 | age:edu) + (1 | age:inc) +
(1 | eth:edu) + (1 | eth:inc) +
(1 | age:eth:edu) + (1 | age:eth:inc),
data = dat_rstanarm, iter = 1000, chains = 4, cores = 4,
prior_covariance =
rstanarm::mrp_structured(
cell_size = dat_rstanarm$n,
cell_sd = dat_rstanarm$sd_cell,
group_level_scale = 1,
group_level_df = 1
),
seed = 123,
prior_aux = cauchy(0, 5),
prior_intercept = normal(0, 100, autoscale = FALSE),
adapt_delta = 0.99
)
# model-based weighting
cell_table <− fit$data[,c("N","n")]
weights <− model_based_cell_weights(fit, cell_table)
weights <− data.frame(w_unit = colMeans(weights),
cell_id = fit$data[["cell_id"]],
Y = fit$data[["Y"]],
n = fit$data[["n"]]) %>%
mutate(
w = w_unit / sum(n / sum(n) * w_unit), # model-based weights
Y_w = Y * w
)
with(weights, sum(n * Y_w / sum(n)))# mean estimate
B. Plans des simulations
Nous présentons ici les plans des simulations, les valeurs des coefficients et une comparaison portant sur les distributions pondérées des caractéristiques sociodémographiques en complément d’information aux sections 4 et 5.
| Cas 1 | Cas 2 | Cas 3 | Cas 4 | Cas 5 | Cas 6 | Cas 7 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| O | S | O | S | O | S | O | S | O | S | O | S | O | S | |
| age | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| eth | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ |
| edu | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide |
| age*eth | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| age*edu | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide |
| eth*edu | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide |
| age*eth*edu | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide |
| Ensemble | Effets principaux | Deux variables | |
|---|---|---|---|
| age | (0,5; 1,375; 2,25; 3,125; 4) | (0,5; 1,375; 2,25; 3,125; 4) |
(0,5; 1,375; 2,25; 3,125; 4) |
| eth | (-2; -1; 0; 1; 2) | (2; -1; 0; 1; 2) | |
| edu | (3; 2; 1; 0) | (3; 2; 1; 0) | (3; 2; 1; 0) |
| age*eth | (4; 2; 1; 1; 3; 3; 2; 1; 1; 1; 2; 3; 2; 2; 1; 4; 4; 3; 2; 3; 2; 4; 1; 4; 1) | ||
| age*edu | (-2; -1; 2; 2; 1; -2; 2; 1; 0; -2; 1; -2; -1; 2; 1; -1; -1; 2; 0; 2) | (2; 0; -2; -2; 1; 1; -1; -2; -2; -1; -1; 1; 0; -1; -1; 2; 2; 1; -1; 0) |
|
| eth*edu | (1; -2; 0; -3; -1; 0; -1; -2; 0; -1; -3; -3; 0; -1; -1; 0; 0; -1; 0; -1) | ||
| age*eth*edu | (-1; -0,5; 0,5; -1; -1; -0,5; -1; 0; -1; 0; -1; 0; 1; 1; 0,5; 1; 1; -1; -1; 0; -1; -0,5; -0,5; -1; 1; -1; -0,5; -1; 1; 0; 0,5; 0,5; 1; 0,5; 1; 1; 1; 0,5; 1; 0; 0; -0,5; 0; 1; -1; -1; 0; -1; -1; -1; -0,5; -0,5; 0; 1; -1; 0; 0; -0,5; 1; -0,5; 0,5; -1; 1; 0; 1; 0; -1; 0; -0,5; 1; -0,5; -1; -0,5; 0; 0,5; -0,5; 1; 0,5; -0,5; 0,5; 0; 1; 0; 1; 0,5; 0,5; 0,5; 0; 0; -0,5; 1; -1; 0; 1; 1; 1; 1; -0,5; -1; -1) |
| Ensemble | Effets principaux | Deux variables | |
|---|---|---|---|
| Valeur à l’origine | -2 | -2 | -2 |
| age | (-2; -1,75; -1,5; -1,25; -1) | (0; 0,5; 1; 1,5; 2) | (-2; -1,5; -1; -0,5; 0) |
| eth | (-1; -0,25; 0,5; 1,25; 2) | (-2; -1,5; -1; -0,5; 0) | (-1; -0,5; 0; 0,5; 1) |
| edu | (0; 0,67; 1,33; 2) | (0; 1; 2; 3) | |
| age eth | (1; 1; -1; 1; -1; 1; -1; 0; 0; -1; 0; 0; -1; 1; 0; 0; -1; 1; 1; -1; -1; 0; 1; -1; 1) |
(-1; 1; 1; 1; -1; -1; -1; 0; -1; -1; -1; -1; 1; -1; -1; 0; 1; 1; -1; 1; -1; -1; 1; 0; 0) | |
| age edu | (0; 1; -1; -1; 0; 1; 1; 0; 1; 0; 1; -1; -1; 1; 1; -1; 0; -1; 1; 1) | ||
| eth edu | (-1; -1; 0; -1; -1; 1; 1; 1; 1; 0; -1; 0; -1; 0; -1; 1; 0; -1; -1; -1) | ||
| age eth edu | (0,8; -0,4; 0,6; -0,2; 0,8; 0,2; 0,4; 0,8; 0,4; -0,6; -0,8; -0,4; -0,8; -0,4; 0,4; -1; 0,6; -0,8; -0,6; 0,6; -0,2; 0,2; 0,6; -0,6; 0; 0; -1; -0,2; 0,6; 0,8; -0,4; 0,2; -0,8; 0,4; 0,6; -0,6; 0,8; 0; 0,2; -1; 1; 0,4; 0; 0,8; -0,2; 0; 0; 0,6; -0,8; -0,8; -0,2; 0,4; -1; -0,8; 1; -0,2; 0; 0,8; 0,6; 0,8; -0,2; -0,2; -0,8; 1; 0,8; 0,8; -0,4; -0,8; 0,4; -0,4; 1; -0,6; -1; -0,6; -0,2; 1; 1; -0,2; 1; 0,6; 0,4; 0,8; 0,2; -0,2; -0,6; 0; 0,8; -0,4; 0,4; 0,4; 0,6; -1; -0,8; -0,8; 1; 1; 0,4; 0,6; 0,4; 0,8) |
| Cas 1 | Cas 2 | Cas 3 | Cas 4 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| O | S | O | S | O | S | O | S | |
| age | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| eth | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| edu | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| sex | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| pov | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| cld | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | |
| eld | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| fam | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| age*eth | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| age*edu | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| eth*edu | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| eth*pov | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| age*pov | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| pov*fam | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| pov*eld | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| pov*cld | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| age*eth*edu | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| age*eth*pov | ✓ | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ | Cette cellule est vide | Cette cellule est vide | ✓ |
| O | S | |
|---|---|---|
| age | (2; 0; -2; -2; 1) | (0; 0,75; 1,5; 2,25; 3) |
| eth | (1; -1; -2; -2; -1) | (-1; -0,5; 0; 0,5; 1) |
| edu | (-1; 1; 0; -1) | (0; 0,67; 1,33; 2) |
| sex | (-1; 2) | (-1; 0) |
| pov | (2; 1; -1; 0; -1) | (0; 1; 2; 3; 4) |
| cld | (-1; -0,33; 0,33; 1) | |
| eld | (-2; -1; 0) | |
| fam | (-1; -0,67; -0,33; 0) |
| Str-W | PS-W | Rake-W | |
|---|---|---|---|
| age | 0,04 | 0,02 | 0,00 |
| eth | 0,08 | 0,06 | 0,00 |
| edu | 0,08 | 0,03 | 0,00 |
| inc | 0,02 | 0,02 | 0,00 |
| age * eth | 0,05 | 0,03 | 0,05 |
| age * edu | 0,05 | 0,02 | 0,05 |
| age * inc | 0,03 | 0,01 | 0,03 |
| eth * edu | 0,06 | 0,04 | 0,05 |
| eth * inc | 0,04 | 0,04 | 0,03 |
| edu * inc | 0,06 | 0,03 | 0,04 |
| age * eth * edu | 0,03 | 0,02 | 0,05 |
| age * eth * inc | 0,03 | 0,02 | 0,04 |
| age * edu * inc | 0,03 | 0,01 | 0,04 |
| eth * edu * inc | 0,04 | 0,02 | 0,04 |
| age * eth * edu * inc | 0,02 | 0,01 | 0,04 |
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