Le bagplot, comme extension du boxplot

Lundi 15, Michel Grun Rehomme avait présenté les travaux qu’il avait obtenu avec Noureddine Ben Lagha sur des problèmes d’écrêtement de coûts de sinistres, que l’on peut rapprocher de la détection de points atypiques, ou outliers. Ce matin, Alexander McNeil nous a rappelé que les bagplot pouvaient être très intéressants en gestion des risques (mentionné ici). Je ne peux pas m’empêcher de revenir un petit peu sur cette notion, en m’écartant des applications financières proposées par Alexander pour proposer des applications en démographie et en climatologie (inspiré par des travaux de Rob Hyndman).

  • Le boxplot et la régression quantile

Un outil classique (en dimension 1) est le boxplot, proposé par John Tukey en 1977. Par exemple, sur les coûts de sinistres en assurance auto, on obtient

On peut aussi faire un boxplot par classes (ou tranches) d’âge,

qui correspond, en passant à la limite (i.e. en considérant l’âge comme une variable continue), à un ensemble de régressions quantiles.

On peut aussi regarder l’impact de l’ancienneté du véhicule (à la souscription du contrat) sur le coût individuel des sinistres,

avec en rouge la régression (linéaire) du log du coût sur l’âge du véhicule. Là aussi, on peut faire des régressions quantiles,

Le code pour obtenir les régressions quantiles lissées est assez simple, une fois installé les library(quantreg) et library(splines),

> library(quantreg);  library(splines)
> fit = rq(log(cout)~bs(agecond,df=8),data=BASECOUT,tau=.5)
> xu=seq(10,110)
> yu=predict(fit,newdata=data.frame(agecond=xu))
> lines(xu,yu,col="red",lwd=2)

Cette notion a été généralisée en multivariée sous le nom de bagplot. Par exemple, pour déterminer la “médiane” en dimension 2, on va recherche un ensemble (appelé bag) contenant 50% des observations.

  • La profondeur

Cela se fait à l’aide du concept de profondeur statistique, introduite par John Tukey en 1975. En dimension 1, si

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-01.png

désigne la fonction de répartition, la “profondeur de demi-espace” s’écrit

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-02.png

qui est maximal pour la médiane (on obtient alors https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-03.png). Plus généralement, pour un quantile d’ordre https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-04.png,

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-05.png

Cette notion se généralise en dimension supérieure en posant

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-06.png

On notera que Fraiman et Muñiz ont proposé une extension en 2001. S’il n’y a pas d’ex-aequos, en dimension 1,

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-07.png

qui appartient à https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-08.png, et dont la médiane est la plus profonde. Liu a proposé une profondeur dite simpliciale en 1984,

https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-09.png

D’un point de vue statistique, la fonction de répartition est inconnue, mais on dispose de https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-10.png. On note alors https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-11.png l’équivalent empirique de la profondeur. En dimension 2, ça sera https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-12.png où https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-13.png. La méthode de construction est détaillée ci-dessous,

  • Construction d’un bagplot

Pour cela, on note https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-14.png le plus petit nombre d’observations contenu dans un demi plan passant par https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-15.png. On note https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-16.png l’ensemble des points https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-15.png tels que https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-17.png contienne au moins https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/bag-18.png points. On notera qu’on peut montrer que https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/latex/b ag-20.png, et que ces régions sont convexes. Rousseeuw et Ruts ont proposé un algorithme permettant de construire un tel ensemble de région en 1998. Sur l’exemple suivant, on considère 20 points en dimension 2,

Notons qu’en changeant de méthode, on obtient des résultats qui peuvent être très changeant.

> library(mnormt)
> Z=rmnorm(20,mean=c(0,0),varcov=matrix(c(1,.6,.6,1),2,2))
> source("http://www.wiwi.uni-bielefeld.de/~wolf/software/R-wtools/bagplot/bagplot.R")
> bagplot(Z,factor=1,dkmethod=1)
> bagplot(Z,factor=1,dkmethod=2)

 

La méthodologie a été proposée par Rousseeuw, Ruts et Tukey en 1999 (ici).

  • Copules Gaussiennes, versus copules de Clayton

On peut essayer de voir si les bags changent de forme lorsque la copule sous-jacente change. L’exemple suivant montre le bagplot d’un vecteur gaussien,

alors que l’exemple suivant montre le bagplot pour une copule duale de Clayton, avec des marges Gaussiennes.

Dans le premier cas, on retrouve que les bagplots ressemblent des ellipses (ce qui correspond à ce que j’avais raconté ici sur les ellipses de confiance). On retrouve cette ellipse sur le graphique dessous, avec 5000 points (simulés) au lieu de 200,

pour la copule Gaussienne, et

pour la copule de Clayton. La petite animation ci-dessous montre l’évolution des bag en fonction de la corrélation du vecteur Gaussien,

  • Illustration sur les données Loss-ALAE

Considérons la base (célèbre) des coûts de sinistres, et des frais associés.

 

>  library(evd); data(lossalae)

La figure ci-contre montre l’échantillon de 1500 points, avec le logarithme des coûts, et le logarithme des frais. Classiquement, on s’intéresse à la loi conditionnelle des frais sachant le coût du sinistre. On peut alors tracer des boxplot conditionnels (comme pour le coût des sinistres conditionnels à l’âge du véhicule),

Mais l’idée des bagplot est sensemblement différentes. On s’intéresse véritablement au couple de variables.

  • Du bagplot fonctionnel

Rob Hyndman a également utilisé ces méthode de bagplot quand la taille devient infiniment grande, i.e. dans un cadre fonctionnel. Par exemple, on peut utiliser cette technique pour détecter des années atypiques sur des évolutions de température, ou dans un ajustement de modèle de type Lee-Carter en mortalité. Ces deux cas sont abordées par Rob Hyndman dans la library(rainbow). Pour faire simple et rapide, on peut définir une profondeur fonctionnelle,

Pour commencer, on peut regarder les température moyenne mensuelles de la température à la surface de la mer, entre 1951 et 2007, obtenue ici.

On note que 4 années se détachent des autres, 1982/1983 et 1997/1998, qui sont particulièrement élevées, mais pas seulement. Certaines semblent décallées de quelques mois. Le code est ici simplement

 

> library(rainbow)
> fboxplot(data = ElNino, plot.type = "functional", type = "bag")
> fboxplot(data = ElNino, plot.type = "bivariate", type = "bag")

Dans le cas des données démographiques, il faut bricoler un peu. Repartons des données français que nous avons étudiées plus d’une fois,

> DEATH=read.table("https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/R/FR-Deaths_1x1.txt",header=TRUE)
> EXPOSURE=read.table("https://perso.univ-rennes1.fr/arthur.charpentier/R/FR-Exposures_1x1.txt",header=TRUE)
> DEATH$Age=as.numeric(as.character(DEATH$Age))
> DEATH$Age[is.na(DEATH$Age)]=110
> EXPOSURE$Age=as.numeric(as.character(EXPOSURE$Age))
> EXPOSURE$Age[is.na(EXPOSURE$Age)]=110
> YEAR=unique(DEATH$Year);nC=length(YEAR)
> AGE =unique(DEATH$Age);nL=length(AGE)
> rownames(MUH)=AGE
> colnames(MUH)=YEAR
> rownames(MUF)=AGE
> colnames(MUF)=YEAR
> MUH=MUH[1:90,]
> MUF=MUF[1:90,]
> MUHF=fts(x = AGE[1:90], y = log(MUH), xname = "Age", 
+          yname = "Log Mortality Rate")
> MUFF=fts(x = AGE[1:90], y = log(MUF), xname = "Age", 
+          yname = "Log Mortality Rate")
> fboxplot(data = MUHF, plot.type = "functional", type = "bag")
> fboxplot(data = MUHF, plot.type = "bivariate", type = "bag")


avec un code similaire pour les femmes. Le graphique suivant montre l’évolution des taux de mortalité des hommes en fonctions de leur âge, pour différentes années,

On observe que certaines années se détachent assez nettement, en particulier sur les âges allant de 15 à 40 ans. Comme le montre le graphique à gauche, ce sont les années de guerre qui ressortent fortement (surtout la première guerre mondiale). Pour les femmes, l’évolution des taux de mortalités en fonction des âges semble en revanche beaucoup plus régulière, puisqu’aucune année atypique ne semble ressortir,

Ceci se confirme sur le graphique de droite, où, contrairement aux hommes, aucune année ne semble réellement se détacher. Notons qu’au lieu de chercher des années atypiques, on peut chercher faire une lecture duale, en cherchant les âges qui se ont eut un changement en terme d’évolution du taux de mortalité sur un siècle différent. Par exemple pour les femmes, les taux de mortalité ont l’évolution suivante au cours du siècle,

ce qui permet de repérer quelques âges un peu atypiques, i.e. les bébés, qui ont eu un gain en terme de taux de mortalité considérable, relativement aux autres âges. En revanche, pour les hommes, il n’y a pas particulièrement d’âge qui soit statistiquement différent des autres,

  • Applications en terme de stress scenarios

Nous avons vu qu’il y avait presque toujours (pour les hommes comme pour les femmes) des outliers, i.e. des courbes atypiques. Il serait donc normal de s’attendre à en trouver dans les scénarios de prédiction. Les bagplot sont alors un outils intéressant. Si on regarde les prédictions obtenues par la méthode de Lee & Carter par exemple, ou plutôt des scénarios générés par la méthode de Lee & Carter,

> LCH <- fdm(BASEH,order=10)
> LCHf=forecast(LCH,100,method="ets")
> LCHg=simulate(LCHf,1)
> LCHg1=as.matrix(LCHg[,,1])
> MUHf=LCHg1[1:90,]
> MUHF=fts(x = AGE[1:90], y = log(MUHf), xname = "Age",
+         yname = "Log Mortality Rate")
> library(rainbow)
> fboxplot(data = MUHF, plot.type = "functional", type = "bag")
> fboxplot(data = MUHF, plot.type = "bivariate", type = "bag")

On peut alors identifier clairement des années atypiques – pour un scenario donné. Bref, on a un outils pour vérifier que l’on génère effectivement des points atypiques, un peu extrêmes, mais surtout, on peut les identifier. On peut alors creuser un peu pour mieux comprendre ce qui se passe….

Pour aller plus loin sur ces histoires de bagplot et aux régressions quantiles, je renvoie ici ou (Thierry Roncalli avait remis la régression quantile au goût du jour il y a quelques années, à l’époque où je programmais encore en Gauss, je renvoie aussi ici pour des applications financières).

  • Les quantiles bivariés

En fait, le point de départ du billet était très lié d’une notion qui méritera un autre billet: comment définir des quantiles (et plus généralement des mesures de risques) dans un cadre multivarié….


3 thoughts on “Le bagplot, comme extension du boxplot”

  1. Sujet très intéressant mais il semblerait y avoir un problème avec les figures. Existe-t-il un moyen d’y accéder afin que je puisse approfondir le sujet ?

    Merci beaucoup,

  2. Sujet très intéressant,

    Néanmoins serait-il possible de mettre un lien vers le fichier MUHF?

    En effet en appliquant à la lettre votre code, j’ai un message d’erreur au moment de transformer la matrice au format fts et d’obtenir par suite le graphe du boxplot.

    Merci et joyeux Noël à vous

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