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A la recherche des homonymes…

Il y a quelques mois, Baptiste Coulmont m’avait contacté avec une question passionnante (comme chaque fois qu’il me contacte).

Baptiste voulait travailler sur la proportion de personnes qui ont un homonymes dans une population de taille donnée, ou sur la probabilité de ne pas avoir d’homonymes dans un bureau de vote, par exemple. Or ce dernier problème n’est pas sans rappeler le “paradoxe des anniversaires“.

Dans un groupe de 23 personnes, il y a plus d’une chance sur deux pour que deux personnes de ce groupe aient leur anniversaire le même jour. Ou dit autrement, il est plus surprenant de ne pas avoir deux personnes qui ont leur anniversaire le même jour que d’avoir deux personnes qui ont leur anniversaire le même jour.

On parle de “paradoxe” parce que le nombre de jours possibles est relativement grand (k=365), mais que la taille du groupe est elle relativement petite (n=23). Ici c’est un peu la même chose, sauf qu’on est sur des nombres beaucoup plus grands: on a des milliers de noms possibles (en fait, on s’intéresse au couple prénom+nom, ce qui augmente très largement le nombre de possibilités, que l’on notera k ici), on considère des groupes relativement grands (la taille du groupe sera elle notée n), et surtout, l’hypothèse (implicite) d’uniformité dans la distribution des dates ne marche pas sur les noms de famille, et les prénoms. On peut malgré tout tenter de formaliser le problème.

Considérons une collection de k éléments, notée \mathcal{X}=\lbrace x_1,\cdots,x_k\rbrace, et faisons n tirages avec remise. Les tirages obtenus sont notés ici X_1,\cdots,X_n et correspondent à des variables aléatoires iid, suivant des lois multinomiales sur \mathcal{X} avec comme vecteur de probabilités \mathbf{p}=(p_1,\cdots,p_k). Dans le cas des anniversaires, \mathcal{X} correspond aux dates, avec k=365, et \mathbf{p} est uniforme sur \mathcal{X} – ou encore \mathbf{p}=\mathbf{1}/k . Le problème classique est de calculer la probabilité que dans un groupe de taille donnée tout le monde ait des dates d’anniversaire différentes

\mathbb{P}[\forall j\neq i, X_i\neq X_j]

mais on peut aussi calculer (comme le voulait Baptiste) la proportion de personne ayant un alter-ego (une personne dans le groupe qui a son anniversaire le même jour)
\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \mathbf{1}(\exists j\neq i,X_i=X_j)

On a donc tenté d’approcher le second, quand on a un groupe de taille n. Notons Z_i le nombre de personnes (parmi les n-1 restantes) qui partagent la même date d’anniversaire que i,
Z_i=\sum_{j\in\{1,\cdots,n\}\backslash\{i\}} \mathbf{1}(X_j \neq X_i)
Aussi, la personne i a un alter-ego si Z_i\geq 1. Et donc, la proportion de personnes avec un alter-ego dans le groupe s’écrit
P_{n,k}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \mathbf{1}(Z_i\geq 1)
Si \mathbf{p} correspond à la loi uniforme sur \mathcal{X}, alors
1-P_{n,k}=\binom{k}{n}\frac{1}{k^n}\sim \exp\left[\binom{n+1}{2}\frac{1}{k}\right]\sim e^{-n^2/2k}
comme le montre Chatterjee et al. (2004). Je pourrais aussi renvoyer aux articles de Inoue & Aki (2008) et plus récemment de  Cortina Borja (2013) pour des revues de littérature sur les aspects computationnels.

Mais la plupart des résultats sont obtenu dans le cas où \mathbf{p} correspond à une distribution uniforme. Les propriétés plus générales sont beaucoup plus rares(on pourra lire Munford (1977), Das Gupta (2004),  Inoue & Aki (2008) ou Nunnikhoven (1992) pour des tentatives. Utiliser des méthodes de Monte Carlo est probablement le plus naturel (si on n’est pas trop pressé) en se donnant un ensemble \mathcal{X} (qui sont les dates dans le problème des anniversaires et les noms dans le cas des homonymes) de taille k, et une distribution \mathbf{p} sur \mathcal{X}. On a ainsi pu approcher P_{n,k}, la proportion de personnes ayant un alter-ego dans une population de taille n: sur les figures ci-dessous, on a cette proportion en fonction de  n (en abscisse), avec des courbes différentes pour différents k. Histoire d’être un peu réaliste, on va chercher le taux de personnes ayant un homonyme dans une popoluation de plusieurs centaine de milliers de personnes, et quand aussi des milliers, des dizaines de milliers, de possibilités.

Dans le cas d’une distribution uniforme, la proportion évolue comme sur la figure ci-dessous

On a tenté de quitter l’indépendance en utilisant une loi paramétrique, plus précisément une loi de type Pareto, ou Zipf, pour \mathbf{p}. En fait, c’est le type de distribution qu’avait observé Li (2012) sur la distribution des prénoms, avec p_i \propto i^{-\alpha} (ou plus récemment, Höhle (2017)). On a alors l’évolution suivante

On est ici en échelle logarithmique pour la taille n parce que c’est naturel. Mais pour l’instant, on était resté sur P_{n,k}. Baptiste insistait pour passer aussi à une échelle logarithmique sur l’axe des ordonnées, mais ca n’etait pas concluant. On a alors tenté deux autres représentations, plus classiques quand on travaille sur des probabilités (ou des proportions) : représenter \text{logit}(P_{n,k}) en fonction du logarithme de n (où \text{logit}(u)=\log[u/(1-u)]) et une version probit, à savoir \Phi^{-1}(P_{n,k}) (où ici \Phi est la fonctionc cumulative de la loi normale centrée et réduite).

En grande dimension, on a l’impression d’avoir une relation linéaire entre la transformée probit de la proportion de personnes ayant un homonyme et le logarithme de la taille de la population considérée

\Phi^{-1}(P_{n,k}) \sim a_{k}+b_{k} \log[n]

C’est joli, mais on se demandait comment utiliser ca sur nos données, pour travailler vraiment sur les homonymes. Le soucis, c’est qu’on n’a pas de fichier national, avec les noms et les prénoms. Alors Baptiste a sorti de son sac les listes électorales parisiennes. Le soucis est que la base est (relativement) petite. Le nombre de couple est très limité. Au lieu de faire des tirages avec remise dans les couples (“prénom”, “nom”) – encore une fois, la base est trop petite – on a voulu tenter de tirer indépendemment le “prénom” et le “nom”. On y gagne en ayant à disposition une base plus grande, mais on introduit un biais colossal, les “prénom” et “nom” étant assez corrélés. Dans notre cas, on a k_1 “prénom” et k_2 “prénom”. Il y a quelques années Chalabi & Flowers (2014)} (repris plus en détails sur ce blog) était revenu sur la non indépendance des noms et des prénoms, en s’interrogeant sur le nom le plus populaire aux Etats-Unis. Selon les auteurs “Michael Smith” n’était probablement pas le nom le plus populaire, même si “Michael” et “Smith” étaient respectivement les “prénom” et “nom” les plus populaires. En France “Jean” et “Marie” sont les prénoms les plus populaires pour les garcons et les filles, respectivement, et “Martin” est le nom le plus populaire (au moins sur les listes électorales parisiennes), mais en fait, le nom le plus populaire est “Thi Nguyen”, avec 350 personnes à Paris, alors que seulement 84 “Jean Martin” sont observés, le troisième plus haut score. Ah oui, je dois préciser qu’on se limite ici au premier prénom, en cas de prénoms composés. Tout comme Chalabi & Flowers (2014), on a fait un test du chi-deux pour tester l’indépendance, sur les 20 “noms” et “prénoms” les plus populaires. Sur la figure ci-dessous, on a les résidus normalisés du test. Par exemple “Michel Michel”est en rouge, car c’est beaucoup moins donné que ce qu’on aurait si  les deux composantes étaient indépendantes

Bref, on n’a pas trop le droit de tirer le “prénom” et le “nom” indépendament. Mais on va quand même le faire, pour voir. Ici \mathcal{X} est l’ensemble \mathcal{X}_1\times\mathcal{X}_2 avec k_1 choix pour le “prénom” et k_2 pour le “nom”.

Soit \mathbf{p}=(p_{i_1,i_2}) la probabilité empirique sur \mathcal{X}. On imagine que \mathbf{p} contient énormément de 0, car beaucoup de couples ne sont pas observés. Pour les simulations, on va noter \mathbf{p}^{\perp} la pobabilité jointe sous hypothèse d’indépendance
p^{\perp}_{i_1,i_2}=\left(\frac{1}{k_2}\sum_{j=1}^{k_2} p_{i_1,j}\right)\cdot\left(\frac{1}{k_1}\sum_{j=1}^{k_1} p_{j,i_2}\right)=p_{i_1,\cdot}p_{\cdot,i_2}

Lors de nos simulations, on va considérer deux cas : on dire des \mathbf{x}=(x_1,x_2) soit suivant la distribution \mathbf{p}, soit suivant \mathbf{p}^{\perp}. Bon, j’avais formalisé pour clarifier un peu dans ma tête et aussi pour impressionner Baptiste, mais techniquement, dans un cas on tire une paire observée – genre “Baptiste Coulmont” – et dans le second cas, on tire d’un côté un prénom – genre “Baptiste” – et de l’autre un nom de famille – genre “Charpentier” (même s’il n’existe aucun “Baptiste Charpentier”, on dit juste qu’il serait possible qu’il y en ait un).

Bref, on tirant des échantillons (plusieurs milliers de taille donnée, puis en moyennant), on obtient la figure ci-dessous (avec une échelle logarithme pour l’axe des ordonnées)

La courbe noir sur-estime sûrement à cause du faible nombre de choix possibles (on va tirer jusqu’à 50 millions de noms). En revanche, l’indépendance n’étant pas réaliste, la courbe rouge sous-estime probablement la proportion. Mais le plus intéressant est le graphique ci-dessous, obtenu en représentant la version probit de la probabilité

La courbe rouge est incroyablement linéaire ! Bien plus linéaire que ce qu’on espérait avoir suite à nos simulations dans le cas de la loi de Pareto.

En fait, on note que si on se limite au cas où n n’est pas trop grand, la courbe noire semble aussi linéaire. Ensuite on perd la linéarité parce qu’on tire avec remise dans une base trop petite, mais au début (lorsque n n’est pas trop grand), on pourrait accepter l’hypothèse d’une relation linéaire entre la transformée probit, et le logarithme de n. Bref, on estime une relation linéaire, et on extrapole pour les valeurs de n plus grandes

Si on revient sur la représentation plus classique, de la proportion de personnes ayant un homonyme en fonction de n, on obtient

Autrement dit, en France, on peut estimer que 80% des francais ont un homonyme.

Deux points pour poursuivre, sur la robustesse de l’approche. Tout d’abord, si on change un peu la taille de l’intervalle des n pour lesquels la courbe noire semble linéaire, la pente change peu

et on a un ordre de grandeur assez proche. Bref, ce 80% semble assez robuste,

Ensuite, comme cette relation linéaire me surprenait, on a aussi tenté sur des données américaines… et on a exactement le même genre de résultats…

Pour aller plus loin, on a tout mis sur github (avec des graphs en ggplot2 pour faire plus joli…) et une version (en anglais) est en ligne sur arxiv.

Subjective Ways of Cutting a Continuous Variables

You have probably seen @coulmont‘s maps. If you haven’t, you should probably go and spend some time on his blog (but please, come back afterwards, I still have a story to tell you). Consider for instance the maps we obtained for a post published in Monkey Cage, a few months ago,

The codes were discussed on a blog post (I spent some time on the econometric model, not really on the map, by that time).

My mentor in cartography, Reka (aka @visionscarto) taught me that maps were always subjective. And indeed.

Continue reading Subjective Ways of Cutting a Continuous Variables

Voting Twice in France

On the Monkey Cage blog, Baptiste Coulmont (a.k.a. @coulmont) recently uploaded a post entitled “You can vote twice ! The many political appeals of proxy votes in France“, coauthored with Joël Gombin (a.k.a. @joelgombin), and myself. The study was initially written in French as mentioned in a previous post. Baptiste posted additional information on his blog (http://coulmont.com/blog/…) and I also wanted to post some lines of code, to mention a model that was not used in that study (more complex to analyze, but more realistic, and with the same conclusions). The econometric study is based on aggregated voted, with a possible ecological misinterpretation.

  • Regression Model: Possible Explanatory Variables

The first idea was to model proxies using a binomial regression, per pooling station  where  denote the number of proxy vote, per station , and  denotes the number of voters. Proportion  can be a function of possible explanatory variables (on Baptiste’s blog there are additional information about the datasets, obtained from insee.fr and opendata.paris.fr)

> bt1=read.table("paris2007-pres-t1.csv",header=TRUE,sep=";")
> bt2=read.table("paris2007-pres-t2.csv",header=TRUE,sep=";")
> bv=read.table("paris-bv-insee-07.csv",header=TRUE,sep=";")
> bv$BV=bv$BVCOM
> baset1=merge(bt1,bv,by="BV")
> baset2=merge(bt2,bv,by="BV")
> baset1$LOGEMENT=baset1$PROPRIO+baset1$LOCNONHLM+baset1$LOCHLM+baset1$GRATUIT
> baset2$LOGEMENT=baset2$PROPRIO+baset2$LOCNONHLM+baset2$LOCHLM+baset2$GRATUIT

For instance, assume that  is a function of the proportion of owner of the place people live in, denoted  in the neighborhood of the pooling station,

> variable="PROPRIO"
> reference="LOGEMENT"
> baset1$taux=baset1[,variable]/baset1[,reference]
> baset2$taux=baset2[,variable]/baset2[,reference]

We can consider a logistic regression

or a logistic regression with splines, if we do not want to assume a linear model

With cubic splines, the code is

> b=hist(baset1$taux,plot=FALSE)
> library(splines)
> regt1=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset2)
> u=seq(min(baset1$taux)+.015,max(baset1$taux)-.015,by=.001)
> ND=data.frame(taux=u)
> ug=seq(0,max(baset1$taux)+.05,by=.001)
> pt1=predict(regt1,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2=predict(regt2,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> library(RColorBrewer)
> CL=brewer.pal(6, "RdBu")
> plot(ug,ug*1,col="white",xlab=nom,ylab="Taux de procuration",
+ ylim=c(0,.1))
> for(i in 1:(length(b$breaks)-1)){
+ polygon(b$breaks[i+c(0,0,1,1)],c(0,b$counts[i],b$counts[i],0)
+ /max(b$counts)*.05,col="light yellow",border=NA)}
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt1$fit+2*pt1$se.fit,rev(pt1$fit-2*pt1$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[4])

while a standard logistic regression would be

> lines(u,pt1$fit,col=CL[6],lwd=2)
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt2$fit+2*pt2$se.fit,rev(pt2$fit-2*pt2$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[3])
> lines(u,pt2$fit,col=CL[1],lwd=2)
> regt1l=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2l=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset2)
> ND=data.frame(taux=ug)
> pt1l=predict(regt1l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2l=predict(regt2l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> lines(ug,pt1l$fit,col=CL[5],lty=2)
> lines(ug,pt2l$fit,col=CL[2],lty=2)
> legend(0,.1,c("Second Tour","Premier Tour"),col=CL[c(1,6)],
+ lwd=2,lty=1,border=NA)

Here it is (the confidence region is for the spline regression) with on blue the first round of the Presidential election, and in red, the second round (in France, it’s a two-round system)

(the legend of the y axis is not correct). We can consider as explanatory variable the rate of H.L.M., low-cost housing or council housing,

If I like the graph, unfortunately, the interpretation of coefficient  might be complicated

> summary(regt1l)

Call:
glm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, family = binomial, 
    data = baset1, weights = INSCRITS)

Deviance Residuals: 
     Min        1Q    Median        3Q       Max  
-12.9549   -1.5722    0.0319    1.6292   13.1303  

Coefficients:
            Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)    
(Intercept) -3.70811    0.01516  -244.6   <2e-16 ***
taux         1.49666    0.04012    37.3   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

(Dispersion parameter for binomial family taken to be 1)

    Null deviance: 12507  on 836  degrees of freedom
Residual deviance: 11065  on 835  degrees of freedom
AIC: 15699

Number of Fisher Scoring iterations: 4

> summary(regt2l)

Call:
glm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, family = binomial, 
    data = baset2, weights = INSCRITS)

Deviance Residuals: 
     Min        1Q    Median        3Q       Max  
-15.4872   -1.7817   -0.1615    1.6035   12.5596  

Coefficients:
            Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)    
(Intercept) -3.24272    0.01230 -263.61   <2e-16 ***
taux         1.45816    0.03266   44.65   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

(Dispersion parameter for binomial family taken to be 1)

    Null deviance: 9424.7  on 836  degrees of freedom
Residual deviance: 7362.3  on 835  degrees of freedom
AIC: 12531

Number of Fisher Scoring iterations: 4

So we did consider a standard linear regression model, for the proxy rate, per station,

(again, either a model with splines, or a standard linear model). The code is

> regt1=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),weights=INSCRITS,data=baset2)
> u=seq(min(baset1$taux)+.015,max(baset1$taux)-.015,by=.001)
> ND=data.frame(taux=u)
> ug=seq(0,max(baset1$taux)+.05,by=.001)
> pt1=predict(regt1,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2=predict(regt2,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> library(RColorBrewer)
> CL=brewer.pal(6, "RdBu")
> plot(ug,ug*1,col="white",xlab=nom,ylab="Taux de procuration",
+ ylim=c(0,.1))
> for(i in 1:(length(b$breaks)-1)){
+ polygon(b$breaks[i+c(0,0,1,1)],c(0,b$counts[i],b$counts[i],0)
+ /max(b$counts)*.05,col="light yellow",border=NA)}
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt1$fit+2*pt1$se.fit,rev(pt1$fit-2*pt1$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[4])
> lines(u,pt1$fit,col=CL[6],lwd=2)
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt2$fit+2*pt2$se.fit,rev(pt2$fit-2*pt2$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[3])
> lines(u,pt2$fit,col=CL[1],lwd=2)
> regt1l=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2l=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,weights=INSCRITS,data=baset2)
> ND=data.frame(taux=ug)
> pt1l=predict(regt1l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2l=predict(regt2l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> lines(ug,pt1l$fit,col=CL[5],lty=2)
> lines(ug,pt2l$fit,col=CL[2],lty=2)
> legend(0,.1,c("Second Tour","Premier Tour"),col=CL[c(1,6)],
+ lwd=2,lty=1,border=NA)

Here is again the evolution as a function of the rate of owner of their homes,

The graph is rather close to the one before, and here, the interpretation of the summary table is more conventional,

> summary(regt1l)

Call:
lm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, data = baset1, weights = INSCRITS)

Weighted Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-1.9994 -0.2926  0.0011  0.3173  3.2072 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept) 0.021268   0.001739   12.23   <2e-16 ***
taux        0.054371   0.004812   11.30   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residual standard error: 0.646 on 835 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.1326,	Adjusted R-squared:  0.1316 
F-statistic: 127.7 on 1 and 835 DF,  p-value: < 2.2e-16

> summary(regt2l)

Call:
lm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, data = baset2, weights = INSCRITS)

Weighted Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-2.9029 -0.4148 -0.0338  0.4029  3.4907 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept) 0.033909   0.001866   18.17   <2e-16 ***
taux        0.079749   0.005165   15.44   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residual standard error: 0.6934 on 835 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.2221,	Adjusted R-squared:  0.2212 
F-statistic: 238.4 on 1 and 835 DF,  p-value: < 2.2e-16

We have used those codes to produce the graphs mentioned in the post. But before mentioning the residuals of the multiple model we considered, I wanted to share some awesome code that produce maps (I can say that those codes are awesome since Baptiste wrote most of them).

  • Visualization of Residuals on a Map of Paris

To plot the neighborhood of the pooling stations, one more time the post on Baptiste’s blog, explains how the shapefile was obtained from cartelec.net

> library(maptools)
> library(rgdal)
> library(classInt)
> paris=readShapeSpatial("paris-cartelec.shp")

To visualize the proxy rate (the average of round one and round two), here is the code

> elec=data.frame()
> elec=cbind(bt1$BV,(bt1$PROCURATIONS+bt2$PROCURATIONS),(bt1$EXPRIMES+bt2$EXPRIMES))
> colnames(elec)=c("BV","PROCURATIONS","EXPRIMES")
> elec=as.data.frame(elec)
> elec$BV=bt1$BV

To get nice colors, function of the rates, we use

> m=match(paris$BUREAU,elec$BV)
> plotvar=100*elec$PROCURATIONS/elec$EXPRIMES
> nclr=7
> plotclr=brewer.pal(nclr,"RdYlBu")[nclr:1] 
>(plotvar[m], nclr, style="fisher",dataPrecision=1)
> colcode=findColours(class, plotclr)

and finally

> par(mar=c(1,1,1,1))
> plot(paris,col=colcode,border=colcode)
> legend(656274.9, 6867308,legend=names(attr(colcode,"table")), 
+ fill=attr(colcode, "palette"), cex=1, bty="n",
+ title="Frequence procurations (%)")

If we consider a model with three explanatory variable, to explain the proxy rate,

> regt1=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~I(POP65P/POP)+
+ I(PROPRIO/LOGEMENT)+I(CS3/POP1564),weights=INSCRITS,data=baset1)

we can plot the residuals using

> m=match(paris$BUREAU,elec$BV)
> plotvar=100*residuals(regt1)
> nclr=7
> plotclr=brewer.pal(nclr,"RdYlBu")[nclr:1] 
>(plotvar[m], nclr, style="fisher",dataPrecision=1)
> colcode=findColours(class, plotclr)
> par(mar=c(1,1,1,1))
> plot(paris,col=colcode,border=colcode)
> legend(656274.9, 6867308,legend=names(attr(colcode,"table")), 
+ fill=attr(colcode, "palette"), cex=1, bty="n",title="Residus")

It might not be a pure random spatial noise… But we could not get better with our small set of covariates.

Le Vote par Procuration en France

La Vie des Idées a mis en ligne, ce matin, un court texte, écrit par Baptiste Coulmont (a.k.a. @coulmont) et Joël Gombin (a.k.a. @joelgombin), auquel j’ai très modestement contribué, intitulé “Un homme, deux voix. Le vote par procuration“.

Alors que sur son blog, Baptiste a rajouté pas mal d’information sur le vote par procuration en France (et le contexte général, en particulier pourquoi autant de partis courtisent certaines personnes en les incitant à voter par procuration), et sur les bases de données, je voulais en profiter pour mettre en ligne quelques codes utilisés dans l’article, et en particulier, mentionner des graphiques non-utilisés car plus difficile à interpréter, mais à mon avis plus juste en terme de modèle (comme les conclusions étaient les mêmes, on a retenu des graphiques plus classiques). Rappelons tout d’abord qu’on analyse non pas le vote à partir de données individuelles (ceci ne peut s’obtenir, le vote étant encore secret en France), mais à partir des résultats des différents bureaux de vote (c’est la notion de corrélation écologique évoquée dans le texte, à cause du problème potentiel d’ecological fallacy). Moyennant toutes ces précautions d’usage, on a essayé d’analyser les données à notre disposition.

  • Modèle de régression, et recherche de variables explications

Pour faire une régression, et expliquer le taux de procurations dans un bureau de vote, ma première idée était de dire que  où  est le nombre de procurations dans le bureau de vote , et où  est (au choix) le nombre d’électeurs inscrits ou le nombre d’électeurs ayant voté. On suppose ici que , la proportion d’électeurs qui a voté par procuration peut être fonction de divers variables explicatives. Les variables, elles sont dans la base suivante (je renvoie vers le blog de Baptiste pour les bases que l’on utilise, en particulier à partir des données de insee.fr et d’opendata.paris.fr)

> bt1=read.table("paris2007-pres-t1.csv",header=TRUE,sep=";")
> bt2=read.table("paris2007-pres-t2.csv",header=TRUE,sep=";")
> bv=read.table("paris-bv-insee-07.csv",header=TRUE,sep=";")
> bv$BV=bv$BVCOM
> baset1=merge(bt1,bv,by="BV")
> baset2=merge(bt2,bv,by="BV")
> baset1$LOGEMENT=baset1$PROPRIO+baset1$LOCNONHLM+baset1$LOCHLM+baset1$GRATUIT
> baset2$LOGEMENT=baset2$PROPRIO+baset2$LOCNONHLM+baset2$LOCHLM+baset2$GRATUIT

Si on suppose que  est fonction  le taux de logements occupés par leur propriétaire, dans le quartier (associé à un bureau de vote),

> variable="PROPRIO"
> reference="LOGEMENT"
> baset1$taux=baset1[,variable]/baset1[,reference]
> baset2$taux=baset2[,variable]/baset2[,reference]

il est légitime de tenter une régression logistique,

voire un lissage par splines, si on pense que le lien peut ne pas être linéaire,

Ceci se fait à l’aide du code suivant, pour la version lissée (par splines cubiques)

> b=hist(baset1$taux,plot=FALSE)
> library(splines)
> regt1=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset2)
> u=seq(min(baset1$taux)+.015,max(baset1$taux)-.015,by=.001)
> ND=data.frame(taux=u)
> ug=seq(0,max(baset1$taux)+.05,by=.001)
> pt1=predict(regt1,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2=predict(regt2,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> library(RColorBrewer)
> CL=brewer.pal(6, "RdBu")
> plot(ug,ug*1,col="white",xlab=nom,ylab="Taux de procuration",
+ ylim=c(0,.1))
> for(i in 1:(length(b$breaks)-1)){
+ polygon(b$breaks[i+c(0,0,1,1)],c(0,b$counts[i],b$counts[i],0)
+ /max(b$counts)*.05,col="light yellow",border=NA)}
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt1$fit+2*pt1$se.fit,rev(pt1$fit-2*pt1$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[4])

et, pour la régression logistique standard (linéaire)

> lines(u,pt1$fit,col=CL[6],lwd=2)
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt2$fit+2*pt2$se.fit,rev(pt2$fit-2*pt2$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[3])
> lines(u,pt2$fit,col=CL[1],lwd=2)
> regt1l=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2l=glm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,family=binomial,weights=INSCRITS,data=baset2)
> ND=data.frame(taux=ug)
> pt1l=predict(regt1l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2l=predict(regt2l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> lines(ug,pt1l$fit,col=CL[5],lty=2)
> lines(ug,pt2l$fit,col=CL[2],lty=2)
> legend(0,.1,c("Second Tour","Premier Tour"),col=CL[c(1,6)],
+ lwd=2,lty=1,border=NA)

(en rajoutant une petite légende, avec une visualisation pour les deux tours de l’élection présidentielle, avec un intervalle de confiance sur la prévision de mon taux de procuration).

On peut faire la même chose sur le taux de logement HLM, dans le quartier,

Les dessins sont parlant, mais dans la sortie du modèle de régression, l’interprétation de  laisse à désirer (toute suggestion est la bienvenue !).

> summary(regt1l)

Call:
glm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, family = binomial, 
    data = baset1, weights = INSCRITS)

Deviance Residuals: 
     Min        1Q    Median        3Q       Max  
-12.9549   -1.5722    0.0319    1.6292   13.1303  

Coefficients:
            Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)    
(Intercept) -3.70811    0.01516  -244.6   <2e-16 ***
taux         1.49666    0.04012    37.3   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

(Dispersion parameter for binomial family taken to be 1)

    Null deviance: 12507  on 836  degrees of freedom
Residual deviance: 11065  on 835  degrees of freedom
AIC: 15699

Number of Fisher Scoring iterations: 4

> summary(regt2l)

Call:
glm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, family = binomial, 
    data = baset2, weights = INSCRITS)

Deviance Residuals: 
     Min        1Q    Median        3Q       Max  
-15.4872   -1.7817   -0.1615    1.6035   12.5596  

Coefficients:
            Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)    
(Intercept) -3.24272    0.01230 -263.61   <2e-16 ***
taux         1.45816    0.03266   44.65   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

(Dispersion parameter for binomial family taken to be 1)

    Null deviance: 9424.7  on 836  degrees of freedom
Residual deviance: 7362.3  on 835  degrees of freedom
AIC: 12531

Number of Fisher Scoring iterations: 4

 

On a alors voulu comparer avec un modèle qui me semble moins juste, mais qui est plus simple à interpréter, où on suppose que le taux de procuration (par bureau) est expliqué par un modèle linéaire

(que l’on peut aussi lisser, pour vérifier que le lien est effectivement linéaire). Le code est ici

> regt1=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~bs(taux,6),weights=INSCRITS,data=baset2)
> u=seq(min(baset1$taux)+.015,max(baset1$taux)-.015,by=.001)
> ND=data.frame(taux=u)
> ug=seq(0,max(baset1$taux)+.05,by=.001)
> pt1=predict(regt1,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2=predict(regt2,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> library(RColorBrewer)
> CL=brewer.pal(6, "RdBu")
> plot(ug,ug*1,col="white",xlab=nom,ylab="Taux de procuration",
+ ylim=c(0,.1))
> for(i in 1:(length(b$breaks)-1)){
+ polygon(b$breaks[i+c(0,0,1,1)],c(0,b$counts[i],b$counts[i],0)
+ /max(b$counts)*.05,col="light yellow",border=NA)}
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt1$fit+2*pt1$se.fit,rev(pt1$fit-2*pt1$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[4])
> lines(u,pt1$fit,col=CL[6],lwd=2)
> polygon(c(u,rev(u)),c(pt2$fit+2*pt2$se.fit,rev(pt2$fit-2*pt2$se.fit)),
+ border=NA,density=30,col=CL[3])
> lines(u,pt2$fit,col=CL[1],lwd=2)
> regt1l=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,weights=INSCRITS,data=baset1)
> regt2l=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~taux,weights=INSCRITS,data=baset2)
> ND=data.frame(taux=ug)
> pt1l=predict(regt1l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> pt2l=predict(regt2l,newdata=ND,se=TRUE,type="response")
> lines(ug,pt1l$fit,col=CL[5],lty=2)
> lines(ug,pt2l$fit,col=CL[2],lty=2)
> legend(0,.1,c("Second Tour","Premier Tour"),col=CL[c(1,6)],
+ lwd=2,lty=1,border=NA)

(j’ai tout mis d’un coup cette fois, les modèles lissés et linéaires, l’un à la suite de l’autre)

Cette fois, on a une sortie de régression plus classique,

> summary(regt1l)

Call:
lm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, data = baset1, weights = INSCRITS)

Weighted Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-1.9994 -0.2926  0.0011  0.3173  3.2072 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept) 0.021268   0.001739   12.23   <2e-16 ***
taux        0.054371   0.004812   11.30   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residual standard error: 0.646 on 835 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.1326,	Adjusted R-squared:  0.1316 
F-statistic: 127.7 on 1 and 835 DF,  p-value: < 2.2e-16

> summary(regt2l)

Call:
lm(formula = PROCURATIONS/INSCRITS ~ taux, data = baset2, weights = INSCRITS)

Weighted Residuals:
    Min      1Q  Median      3Q     Max 
-2.9029 -0.4148 -0.0338  0.4029  3.4907 

Coefficients:
            Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
(Intercept) 0.033909   0.001866   18.17   <2e-16 ***
taux        0.079749   0.005165   15.44   <2e-16 ***
---
Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1

Residual standard error: 0.6934 on 835 degrees of freedom
Multiple R-squared:  0.2221,	Adjusted R-squared:  0.2212 
F-statistic: 238.4 on 1 and 835 DF,  p-value: < 2.2e-16

On note plusieurs choses de ces graphiques. (i) les deux types de régression donnent des modèles pour les taux de procuration très très proches. Donc autant prendre le plus simple à interpréter. (ii) le lissage n’apporte rien, et le modèle linéaire semble pertinent. On a ainsi regardé plusieurs variables, et on en a retenu un certain nombre, pour tenter un modèle multiple. Avant de parler des résidus de notre modèle, je devrais peut être prendre quelques lignes pour parler un peu de cartographie (une nouvelle fois, Baptiste m’a fait découvrir de belles fonctions).

  • Visualiser les bureaux de vote à Paris

Pour récupérer le fond de carte, avec les bureaux de vote, on utilise (là encore, je renvoie au blog de Baptiste, qui explique l’utilisation de données de cartelec.net)

> library(maptools)
> library(rgdal)
> library(classInt)
> paris=readShapeSpatial("paris-cartelec.shp")

Si on veut visualiser, par exemple, le taux de procuration (disons la moyenne entre les deux tours), on utilise les données suivantes

> elec=data.frame()
> elec=cbind(bt1$BV,(bt1$PROCURATIONS+bt2$PROCURATIONS),(bt1$EXPRIMES+bt2$EXPRIMES))
> colnames(elec)=c("BV","PROCURATIONS","EXPRIMES")
> elec=as.data.frame(elec)
> elec$BV=bt1$BV

Ensuite, viennent les fonctions graphiques, où on va passer d’un taux à une classe et d’une classe à une couleur,

> m=match(paris$BUREAU,elec$BV)
> plotvar=100*elec$PROCURATIONS/elec$EXPRIMES
> nclr=7
> plotclr=brewer.pal(nclr,"RdYlBu")[nclr:1] 
> class=classIntervals(plotvar[m], nclr, style="fisher",dataPrecision=1)
> colcode=findColours(class, plotclr)

Reste à conclure, en faisant une visualisation graphique de nos données

> par(mar=c(1,1,1,1))
> plot(paris,col=colcode,border=colcode)
> legend(656274.9, 6867308,legend=names(attr(colcode,"table")), 
+ fill=attr(colcode, "palette"), cex=1, bty="n",
+ title="Frequence procurations (%)")

Histoire de conclure, on peut regarder un peu nos résidus, obtenus sur un modèle linéaire. Considérons un modèle sur seulement trois variables explicatives,

> regt1=lm(PROCURATIONS/INSCRITS~I(POP65P/POP)+
+ I(PROPRIO/LOGEMENT)+I(CS3/POP1564),weights=INSCRITS,data=baset1)

Dans ce cas, la visualisation des résidus donne

> m=match(paris$BUREAU,elec$BV)
> plotvar=100*residuals(regt1)
> nclr=7
> plotclr=brewer.pal(nclr,"RdYlBu")[nclr:1] 
> class=classIntervals(plotvar[m], nclr, style="fisher",dataPrecision=1)
> colcode=findColours(class, plotclr)
> par(mar=c(1,1,1,1))
> plot(paris,col=colcode,border=colcode)
> legend(656274.9, 6867308,legend=names(attr(colcode,"table")), 
+ fill=attr(colcode, "palette"), cex=1, bty="n",title="Residus")

Idéalement, il faudrait avoir un beau bruit (spatial), c’est à dire avoir des couleurs réparties aléatoirement sur Paris. Il reste encore pas mal de régions dont les voisins sont de la même couleurs, et on repère quelques quartiers atypiques, avec soit des résidus importants négativement, ou positivement. Comme toujours, en modélisation, on pourrait passer des heures pour essayer de capturer tous les effets, mais aucun modèle avec les variables à notre disposition nous a permis de faire réellement mieux.

Du sex-ratio en France

En novembre dernier, Baptiste @Coulmont m’avait envoyé un courriel correspondant à ce qu’il a mis en ligne sur son blog (ici) sur l’utilisation du fichier des prénoms français pour analyser le sex ratio à la naissance en France. J’attendais qu’il publie ses commentaires avant de mettre les miens (car le graphique qu’il a mis en ligne ce matin m’avait fait m’interroger).
Pour faire simple, la base de prénoms inclue un sexe. Mais si on regarde le rapport du nombre de garçon sur le nombre de filles, à la naissance, on a le graphique ci-dessous,

dat=read.table("nat2004.csv",sep=";",header=TRUE)
naissancesm=rep(NA,105)
for (i in 1900:2004) {
naissancesm[i-1899]=sum(dat[dat$annais==i&dat$sexe==1,"nombre"],
na.rm=TRUE)
}
naissancesf=rep(NA,105)
for (i in 1900:2004) {
naissancesf[i-1899]=sum(dat[dat$annais==i&dat$sexe==2,"nombre"],
na.rm=TRUE)
}
plot(1900:2004,naissancesm/naissancesf,col="red")

La tendance du début est très surprenante. Par exemple,  si on reprend les chiffres donnés par Pierre Simon Laplace sur les naissances à Paris entre 1750 et 1800 (mentionné hier, ici) on est déjà sur ratio de l’ordre de 1.05 (que l’on retrouve sur la fin de notre graphique, mais pas le début).
> 393386/377555
[1] 1.041930
 
> 251527/241945
[1] 1.039604

Donc il n’y a pas de raison d’avoir cette diff1rence. La conclusion semble être qu’il y a un soucis sur la base des prénoms. En effet, dans un rapport de Anouch Chahnazarian (ici), on retrouve l’évolution suivante,

que l’on peut rapprocher des données d’Éric Brian & Marie Jaisson (ici pour les données et quelques pages) utilisées dans leur ouvrage Le sexisme de la première heure, hasard et sociologie, qui mesure ici la fréquence de garçons à la naissance

Si l’on compare ces dernières données (via le fichier ici), calculé sur les données de l’INSEE et de l’INED, on retrouve un niveau très proche de celui que l’on a sur le fichier des prénoms, avec toutefois un biais constamment négatif.

b=read.table("http://freakonometrics.blog.free.fr/public/data/sex-ratio.txt")
X=b$V1
Y=b$V2/(100-b$V2)
lines(X,Y,col="blue")

Attention donc à la variable de sexe dans la base surtout avant guerre (en espérant que ce soit le seul soucis). Et je renvoie au blog de Baptiste qui publie toujours des choses très amusantes sur les prénoms, ici (je n’ai plus trop eu le temps de travailler dessus depuis les 5 billets en ligne ).

Extracting information from a keyboard…

Yesterday, Baptiste published a post on “ethno-photography” (here). As he mentioned it, in Paris 8, they experience a real absence of serious cleaning of office equipment. He then shows the keyboard of the only computer they can use in the sociology department (for forty researchers),

Apart from the fact that everyone in France should be ashamed to see how much is spent in universities (which is the first information we have from that picture), we should also be able to guess in which langage people work in this department.
I considered three books (two in French, one in English) and I would like to see the frequency of each letter,

  • Mauss, manuel d’éthnographie (here), 1926
  • Durkheim, Livre II: Les croyances élémentaires in Les formes élémentaires de la vie religieuse (here), 1912
  • Ferri, Criminal Sociology (here), 1896

Those three books are in rich text format, I just changed it to get text files… Then, it is easy to count appearance of letters. E.g. for Mauss,

> library(corpora)
> textfile=scan("MAUSS-manuel.txt",
+ what="char", sep="\n")
Read 1550 items
> textfile<-tolower(textfile)
> M=NA
> for(i in 1:length(textfile)){
+ line=textfile[i]
+ M=c(M,strsplit(as.character(line),"")[[1]])
+ }
> T=table(M)
> T
M
    '     -           \t     !     "     %     &     (     )     ,     .     / 
 5308  1049 86589    44     3     3     2     2   370   391  6609  4909    12 
    :     ;     ?     @     ]     _     ~     ’     =     «     »     ¬     ° 
  819  1178   113     1     1     4     1    39     1   108   107   823     3 
    …     0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     a     à 
    1    69   213    83    73    34    48    33    28    64   151 30559  1651 
    â     ä     b     c     ç     d     e     é     è     ê     ë     f     g 
  224     3  3562 14678   110 17713 63955 10354  1798  1000     5  4555  4911 
    h     i     î     ï     j     k     l     m     n     ñ     o     º     ô 
 4359 30851   226    47  1147   247 24792 12844 32525     6 25562     2   151 
    ö     œ     p     q     r     s     t     u     ù     û     ü     v     w 
   12    52 12696  4667 28237 37630 32945 25001   211    40     9  4787   164 
    x     y     z 
 1996  1222   343

Then, we can summarize in to see proportion of standard 26 letters, and we have, for Mauss,

and for Durkeim,

If we compare the two, we have almost the same proportions,

If we look at our book in English now, we have

i.e., if we compare with Mauss for instance

So we have much more E in French than in English, but still, people writing in English use a lot the E. So looking at the E should not give us any clue…. But we can see that in English, the H is as common as the L, or the C. Not in French, where L is much more frequent than the H. But on the picture, the C is more clear than the H. We can also look at the U, which is common in French, not in English… Here, on the keyboard, it is perfectly clear… so I guess people use it frequently.
So I would say that they write more in French than the write in English, on that computer.
Actually, the same idea has been used a long time ago on calculators to see that Benford’s law works: some numbers are really used (as well as the legend pretends that some pages in logarithm books were never used….), see here orthere. So Baptiste, if one day the keyboard is cleaned up, please send me another picture after a few weeks to see if things have changed….
An for those who cannot imagine how it is to work in some universities in France, just look at his blog (here). Pictures are unbelievable….Good luck Baptiste….