La vraisemblance pénalisée de Firth pour les régressions à risques proportionnels en cas d’enquêtes complexes
Section 4. Résumé
La vraisemblance pénalisée de Firth
est utile pour l’obtention d’estimations par le maximum de vraisemblance à
partir d’une vraisemblance monotone dans des modèles de régression à risques
proportionnels. Nous avons proposé une méthode de mise à l’échelle des poids et
montré que la vraisemblance pénalisée de Firth utilisant des poids mis à
l’échelle présente certaines propriétés souhaitables quand on étudie des
enquêtes complexes. Au moyen d’une étude par simulations, on a montré que les
biais estimés dans les estimations ponctuelles et les erreurs-types utilisant
des poids mis à l’échelle sont inférieurs aux biais estimés quand les poids ne
sont pas mis à l’échelle. Bien que la vraisemblance pénalisée de Firth produise
de « bonnes » estimations sur la plupart des ensembles de données
simulés, elle n’a pas produit de « bonnes » convergences pour
certains ensembles de données. La vraisemblance pénalisée de Firth utilisant
des poids mis à l’échelle est parvenue à corriger pour une vraisemblance
monotone quand nous avons estimé les taux de risque de crise cardiaque à partir
d’un ensemble de données de la NHEFS. Bien que les résultats numériques soient
très encourageants, il faut approfondir les recherches pour calculer les
distributions asymptotiques des estimateurs obtenus au moyen de la
vraisemblance pénalisée de Firth.
Nous recommandons d’utiliser une
vraisemblance non pénalisée quand la convergence ne pose pas problème. En
revanche, la vraisemblance pénalisée de Firth utilisant des poids mis à
l’échelle est préférable en cas de vraisemblance monotone dans l’ajustement des
modèles de régression à risques proportionnels pour les enquêtes complexes.
Remerciements
Je
remercie Ying So, Randy Tobias et Ed Huddleston du SAS
Institute Inc. de l’aide précieuse qu’ils m’ont apportée dans la
préparation de l’article. J’aimerais également remercier les deux examinateurs
anonymes et le rédacteur adjoint pour leurs suggestions constructives.
Annexe 1
Convergence de l’estimateur par la
vraisemblance pénalisée de Firth
Les
estimateurs de la section 2 sont définis comme la solution à un système
d’équations construites au moyen des fonctions de score des modèles de
régression à risques proportionnels. Dans la présente annexe, nous montrons
que, dans certaines conditions de régularité, ces estimateurs sont convergents
par rapport au plan de sondage. Les propriétés des estimateurs qui sont des
solutions à un ensemble d’équations d’estimation sont largement étudiées dans
la littérature sur les enquêtes. Voir par exemple Binder (1983), Godambe et
Thompson (1986) et Fuller (2009, section 1.3.4).
Toutefois,
les équations d’estimation pour les modèles de régression à risques
proportionnels sont plus complexes que les équations d’estimation pour les
modèles linéaires généralisés, car les fonctions de score impliquent des sommes
pondérées sur les unités échantillonnées. Binder (1992) et Lin (2000) ont
montré que les estimateurs obtenus par la résolution d’équations d’estimation
pour les modèles de régression à risques proportionnels sont convergents. Dans
la présente annexe, nous adoptons des arguments semblables à ceux de Lin (2000)
et d’Andersen et Gill (1982).
Il faut
plusieurs hypothèses techniques pour démontrer que les estimations ponctuelles
sont cohérentes. Nous avons besoin d’hypothèses sur les équations d’estimation,
la population finie et le plan de sondage selon lesquelles :
- les fonctions définissant les
équations d’estimation doivent être lisses et convexes;
- la population finie doit être
telle que les moments des quantités de population qu’on utilise pour définir
les équations d’estimation existent;
- le plan de sondage doit être tel
que les estimateurs de Narain-Horvitz-Thompson (NHT) (Rao, 2005) pour les
totaux de population se comportent raisonnablement.
Toutes
ces hypothèses sont courantes dans la littérature sur les enquêtes-échantillons
comme dans Fuller (2009). Les fonctions de score pour les modèles de régression
à risques proportionnels comportent des rapports de moyennes de fonctions
exponentielles qui sont différenciables à l’infini.
Soit
et
qui désignent respectivement l’ensemble
d’indices et les valeurs pour la
population finie dans une séquence de
populations indexées par
et soit
un échantillon de taille
tiré de
Afin d’étudier les propriétés des grands
échantillons pour les estimateurs basés sur un échantillon, nous supposons des
séquences de population et des échantillons tels que
et
en gardant la fraction de sondage,
fixe.
Supposons
que
est un échantillon aléatoire simple de taille
de la distribution conjointe de
où
est le temps de défaillance ou le temps de
censure, s’il est inférieur;
si le temps de défaillance est inférieur au
temps de censure et 0 sinon; et
est un vecteur de variables explicatives
susceptibles de varier avec le temps.
Soit
un ensemble de paramètres de régression pour
la superpopulation qui est définie par la distribution conjointe de
Soit
un ensemble de paramètres de population finie
obtenus par la résolution des équations d’estimation quand toutes les unités
de la population sont observées, et soit
un estimateur de
qui est obtenu par la résolution des équations
d’estimation pondérées seulement au moyen des unités échantillonnées. Notre
objectif est de montrer que
se rapproche de
et que les deux se rapprochent de
à mesure que la taille de l’échantillon et la
taille de la population augmentent.
Examinons
les équations d’estimation qui correspondent à la vraisemblance pénalisée de
Firth décrite à la section 2. Par souci de simplicité, nous écrivons ces
équations pour un cas sans événements liés. Afin de simplifier encore la
notation, nous écrivons séparément chaque composante des équations
d’estimation. Les paramètres de population finie,
sont une solution à la fonction de score de la
vraisemblance partielle pénalisée,
où
où
et où
désigne la trace d’une matrice;
désigne la fonction indicatrice;
et
est le nombre de paramètres de
régression. Notons que
et
dépendent de
bien que la notation ne
l’indique pas par souci de simplicité.
En
définissant la fonction de score pour la vraisemblance pénalisée, nous
supposons que la matrice d’information pour la population finie,
est toujours définie positive.
Il faut
toutefois rappeler que dans une situation réaliste, toutes les unités de la
population finie ne sont pas disponibles. Soit un échantillon
sélectionné au moyen d’un plan de sondage
probabiliste qui attribue une probabilité de sélection non nulle,
à chaque unité de la population. Soit
le poids de sondage. On obtient un estimateur
basé sur un échantillon,
en résolvant les équations de score estimées
par la vraisemblance partielle pénalisée. En supposant que
est connu, on obtient comme estimateur basé
sur un échantillon pour
où
sont les estimateurs de NHT pour
et
respectivement.
Parce que
et
utilisent des sommes pondérées sur des unités
échantillonnées, nous avons besoin de techniques définies dans Lin (2000) pour
étudier les propriétés des grands échantillons de ces estimateurs. Définissons
et
Nous pouvons alors écrire les fonctions de
score de population finie au moyen de l’intégration stochastique,
et les fonctions
de score basées sur l’échantillon sont
Notons que les quantités
et
sont simplement des moyennes sur des quantités
de population finie. Définissons les limites de ces moyennes comme suit :
Ainsi, la fonction de score de la population
finie,
converge vers la fonction de score de la
superpopulation
où
Supposons maintenant que les
quantités de population,
qui servent à définir les fonctions des score
ont des moments finis et que la séquence des plans de sondage est telle que
toutes les fonctions lisses des estimateurs de NHT convergent. Parce que
est une fonction lisse des totaux de
population, et que chaque total est estimé au moyen d’un estimateur de NHT,
est convergent par rapport au plan de sondage
pour
Par conséquent,
Ainsi, en utilisant des arguments semblables à
ceux de Lin (2000) et d’Andersen et de Gill (1982), on peut montrer que
et
convergent vers la même limite.
Parce que
est fixe,
est l’estimateur de NHT pour
et que
est un estimateur convergent (pas
nécessairement sans biais) de 0,
et
convergent vers la même limite avec un ordre
de convergence identique. On peut facilement montrer que
et
les équations d’estimation qui utilisent les
poids mis à l’échelle, ont une espérance identique.
Annexe 2
Programme
SAS pour l’obtention d’estimations par la vraisemblance pénalisée de Firth
Les instructions SAS à la fin de la
section sont ajustées à un modèle de régression à risques proportionnels
utilisant des poids mis à l’échelle dans une vraisemblance pénalisée de Firth.
L’instruction PROC invoque la procédure et l’option VARMETHOD = JK
lance une requête d’estimation de la variance par la méthode du jackknife. On
peut aussi spécifier VARMETHOD = TAYLOR, VARMETHOD = BRR ou
VARMETHOD = BOOT pour lancer une requête de méthode d’estimation de
la variance par linéarisation en séries de Taylor, par répliques répétées
équilibrées ou par rééchantillonnage bootstrap, respectivement. La sous-option
DETAILS de l’option VARMETHOD = JK imprime les estimations de chaque
échantillon répété ainsi que l’état de convergence. L’instruction WEIGHT
spécifie les poids d’échantillonnage, l’instruction STRATA spécifie les strates
et l’instruction CLUSTER spécifie les UPE. L’instruction MODEL spécifie le
modèle d’analyse. L’option FIRTH dans l’instruction MODEL lance une requête de
vraisemblance pénalisée de Firth. Les deux instructions HAZARDRATIO lancent des
requêtes de rapports des risques pour le cholestérol sanguin et le tabagisme,
respectivement. L’instruction ODS OUTPUT stocke les estimations par répliques
et l’état de convergence de chaque réplique dans l’ensemble de données SAS
RepEstimatesFirth. Cet ensemble de données est utile aux fins de vérification
de l’état de convergence de chaque échantillon répété.
Début du texte de la boîte
proc surveyphreg data = NHEFS varmethod=jk (details);
class
Gender HighBloodChol Race Smoker;
weight
ObservationWeight;
strata
Stratum;
cluster
PSU;
model
EventTime*HeartAttack(2) = Income HighBloodChol Smoker Race Gender Race*Gender / firth;
hazardratio
HighBloodChol;
hazardratio
Smoker;
ods output
repestimates=RepEtimatesFirth;
run;
Fin du texte de la boîte
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