ロジスティック・モデルによる対数リスク比の最尤推定

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【2022年11月2週】 【A000】生物統計学 【A051】コホート研究 【A090】多変量回帰モデル 【A092】ロジスティック回帰分析

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本稿では、対数リスクモデルによる対数リスク比の最尤推定について解説しています。回帰係数の最尤推定量の分散が通常の対数リスク比の分散の公式と等しいことの証明、回帰係数の有効スコア検定の検定統計量の導出などが含まれます。

なお、閲覧にあたっては、以下の点にご注意ください。

  • スマートフォンやタブレット端末でご覧の際、数式が見切れている場合は、横にスクロールすることができます。
  • 曝露(発症)状況を表す右下の添え字は、「0」である場合(n0,π0 など)や「2」である場合(n2,π2 など)がありますが、どちらも「非曝露群(コントロール群)」を表しています。
  • 漸近的な性質を用いる際は、①中心極限定理が成り立つ、②漸近分散を推定する際に、母数をその一致推定量で置き換えることができるということが成り立つと仮定しています。

【定理】ロジスティック・モデルによる対数リスク比の最尤推定

【定理】
ロジスティック・モデルによる対数リスク比の最尤推定
MLE of Log Risk Ratios by Logistic Regression Models

マッチングなしのコホート研究(積二項モデル)において、対数リスクモデルを用いると、パラメータ α,β の最尤推定量は、 α^=logbn0β^=logan0bn1 で与えられる。

証明

証明

積二項尤度の基本式より、 L(π1,π2)=n1Caπ1a(1π1)n1an0Cbπ0b(1π0)n0b 対数尤度関数の定義 l(θ,x)=logL(θ,x) より、 l(π1,π2)=log[n1Caπ1a(1π1)n1an0Cbπ0b(1π0)n0b]=logn1Ca+alogπ1+(n1a)log(1π1)+logn0Cb+blogπ0+(n0b)log(1π0) logn1Ca+logn0Cb=C とすると、各セルどうしの関係、対数リスクモデルの仮定より、 n1a=cn0b=da+b=m1logπ1=α+βlogπ0=α よって、 l(π1,π2)=alogπ1+clog(1π1)+blogπ0+dlog(1π0)+C=alog(eα+β)+clog(1eα+β)+blog(eα)+dlog(1eα)+C=a(α+β)+clog(1eα+β)+bα+dlog(1eα)+C=(a+b)α+aβ+clog(1eα+β)+dlog(1eα)+C=m1α+aβ+clog(1eα+β)+dlog(1eα)+C パラメータ α のスコア関数は、この対数尤度関数を α で偏微分して、 Uα(θ)=m1ceα+β1eα+βdeα1eα=m1cπ11π1dπ01π0 同様に、パラメータ β のスコア関数は、この対数尤度関数を β で偏微分して、 Uβ(θ)=aceα+β1eα+β=acπ11π1

最尤推定量の定義 U(θ^)=0 より、 (1)Uα(α^,β^)=m1cπ11π1dπ01π0=0(2)Uβ(α^,β^)=acπ11π1=0 この連立方程式を解くと、 m1adeα^1eα^=0eα^1eα^=bdeα^=bdbdeα^(1+bd)eα^=bd(d+bd)eα^=bdeα^=bddd+beα^=dd+b=bn0α^=logbn0 eα^+β^1eα^+β^=aceα^+β^=acaceα^+β^(1+ac)eα^+β^=aceα^+β^=acca+c=an1eβ^bn0=an1eβ^=an0bn1β^=logan0bn1

【定理】ロジスティック・モデルによる対数リスク比の漸近分散

【定理】
ロジスティック・モデルによる対数リスク比の漸近分散
Asymptotic Variance of Log Risk Ratios by Logistic Regression Models

ロジスティック・モデルのパラメータ α,β の最尤推定量の分散と共分散は、 V(α^)=1π0n0π0V(β^)=1π1n1π1+1π0n0π0Cov(α^,β^)=1π0n0π0 で与えられる。

パラメータ β の最尤推定量の分散は、通常の対数発症リスク比の分散と同じく V^(β^)=1a1n1+1b1n0 で与えられる。

導出

導出

ヘッセ行列の成分の定義と c=n1(1π1),d=n0(1π0) より、 Hα(θ)=2α2l(θ)=ceα+β(1eα+β)2deα(1eα)2=cπ1(1π1)2dπ0(1π0)2=n1π11π1n0π01π0 Hβ(θ)=2β2l(θ)=ceα+β(1eα+β)2=cπ1(1π1)2=n1π11π1 Hαβ(θ)=2αβl(θ)=ceα+β(1eα+β)2=cπ1(1π1)2=n1π11π1 観測情報行列の定義 i(θ)=H(θ) と二項分布における期待情報行列との関係 i(θ)=I(θ) から、ψi=πi1πi とすると、 I(θ)=i(θ)=[Hα(θ)Hαβ(θ)Hαβ(θ)Hβ(θ)]=[n1ψ1+n0ψ0n1ψ1n1ψ1n1ψ1]

期待情報行列の成分は、 I(θ)=[Iα(θ)Iαβ(θ)Iαβ(θ)TIβ(θ)] このとき、推定量の共分散行列は、V(θ^)=I(θ)1 となる。期待情報行列の逆行列は、 I(θ)1=1|I(θ)|[Iβ(θ)Iαβ(θ)TIαβ(θ)Iα(θ)] 2×2行列の行列式の公式 |A|=a11a22a12a21 より、 |I(θ)|=(n1ψ1+n0ψ0)n1ψ1{n1ψ1}2=(n1ψ1+n0ψ0n1ψ1)n1ψ1=n1ψ1n0ψ0 したがって、 V(α^,β^)=I(θ)1=1n1ψ1n0ψ0[n1ψ1n1ψ1n1ψ1n1ψ1+n0ψ0]=[1n0ψ01n0ψ01n0ψ0n1ψ1+n0ψ0n1ψ1n0ψ0] したがって、推定量の共分散行列の成分は、 V(α^)=[I(θ)1]α=1π0n0π0 V(β^)=[I(θ)1]β=1n1ψ1+1n0ψ0=1π1n1π1+1π0n0π0 Cov(α^,β^)=[I(θ)1]α,β=1π0n0π0

この一致推定量は、π^1=p1=eα^+β^=an2bn1,π^0=p0=eα^=bn0 を代入して、 V^(β^)=V^(logRR^)=1p1n1p1+1p0n0p0=1p1a+1p0b=1ap1a+1bp0b a=n1p1,b=n0p0 なので、 V^(logRR^)=1a1n1+1b1n0

【定理】対数リスクモデルのパラメータに対する有効スコア検定とスコアにもとづく推定

【定理】
対数リスクモデルのパラメータに対する有効スコア検定とスコアにもとづく推定
Score test and Estimation for the Parameter of Logistic Regression Models

対数リスクモデルのパラメータに関する帰無仮説と対立仮説を H0:β=0H1:β0 とする。

帰無仮説 H0:β=β0=0 におけるパラメータ α(=α0) に関するスコア関数と最尤推定量は、 α^0=logm1N で与えられる。

帰無仮説 H0:β=β0=0 におけるパラメータ β(=β0) に関する有効スコア検定の検定統計量は、以下で与えられる。 χ2=(acm1m0)2(m1m0n1n0N) で与えられる。

スコアにもとづく推定値とその分散は、 β^=(acm1m0)(m1m0n1n0N)V(β^)=m1m0n1n0N で与えられる。

導出

導出

対数尤度の式より、帰無仮説 β=0 における対数尤度は、 l(π1,π0)=m1α+aβ+clog(1eα+β)+dlog(1eα)l(α^,0)=logL(α^,0)=m1α+a0+clog(1eα+0)+dlog(1eα)=m1α+clog(1eα)+dlog(1eα)=m1α+m0log(1eα) パラメータ α のスコア関数は、この対数尤度関数を α で偏微分すると、 Uα(θ)=m1m0eα1eα 尤度方程式 Uα(θ)=0 を解くことによって得られる α の最尤推定量は、 m1m0eα^01eα^0=0eα^01eα^0=m1m0(1+m1m0)eα^0=m1m0eα^0=m1m0m0m1+m0eα^0=m1Nα^0=logm1N したがって、共通の発症確率 π1=π0=π の最尤推定量は、 π^=m1N

β に関するスコア関数 Uβ(θ)=aceα+β1eα+β は、帰無仮説 β=0 においては、 Uβ(θ)=an1eα^01+eα^0=acm1N1m1N=acm1m0

また、帰無仮説のもとで β に対応する推定情報量の逆行列の成分は、 V(β^)=[I(θ)1]β=1π^n1π^+1π^n0π^=1π^π^(1n1+1n0)=1m1Nm1N(1n1+1n0)=m0m1(1n1+1n0)=m0m1n1+n0n1n0=m0m1Nn1n0

結果として有効スコア検定 χ2={Uβ(θ)}2V^(β^) は、 χ2=(acm1m0)2(m1m0n1n0N)

スコアにもとづく推定値の公式 θ^0=U(θ0)I(θ0) より、 β^=(acm1m0)(m1m0n1n0N) また、スコアにもとづく推定値の分散の公式 V(θ^0)=1I(θ0) より、 V(β^)=m1m0n1n0N

参考文献

  • ジョン・ラチン 著, 宮岡 悦良 監訳, 遠藤 輝, 黒沢 健, 下川 朝有, 寒水 孝司 訳. 医薬データのための統計解析. 共立出版, 2020, p.297-298

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大学時代に読書の面白さに気づいて以来、読書や勉強を通じて、興味をもったことや新しいことを学ぶことが生きる原動力。そんな人間が、その時々に学んだことを備忘録兼人生の軌跡として記録しているブログです。

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