Le passage au log dans les modèles linéaires

Un billet rapide pour compléter et illustrer le passage au log dans un modèle linéaire (que l’on abordera cette semaine en cours). Le point de départ est le modèle linéaire, où on suppose que, conditionnellement à  suit une loi normale. Pour rappel, si on a une loi normale, , alors  et . Les intervalles de confiance à 90% et 95% sont symétriques par rapport à la moyenne (qui est aussi la médiane, soit dit en passant),

Dans un modèle Gaussien avec homoscédasiticité,  i.e.  alors que . On a alors les bandes de confiance suivantes, pour un modèle de régression linéaire,

Bon, maintenant, que se passe-t-il si on prend l’exponentiel ? Pour la loi normale, rappelons que l’on obtient une loi lognormale, i.e. , les deux paramètres étant liés à la loi normale sous jacente, car désormais

alors que

Graphiquement, on a la loi suivante, avec les intervalles de confiance à 90% et 95% représentés ci-dessous. Le point noir est   alors que le point bleu est l’espérance de la loi lognormale.

On notera que le quantile de la loi log-normale est l’exponentiel du quantile de la loi normale. En effet, si https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathbb{P}(Y\leq%20q)=\alpha alors https://latex.codecogs.com/gif.latex?\mathbb{P}(\exp(Y)\leq%20\exp(q))=\alpha. En particulier,  n’est pas la moyenne de , mais la médiane (puisque  était la médiane de ).

Mais il n’est pas rare de voir utilisé un intervalle de confiance de la forme

qui est la forme classique de l’intervalle de confiance Gaussien (symétrique autour de la moyenne). Ici, on aurait les niveaux suivants

Notons qu’il n’y a aucune raison ici d’avoir une probabilité https://latex.codecogs.com/gif.latex?1-\alpha d’être dans l’intervalle de confiance obtenu avec les quantiles https://latex.codecogs.com/gif.latex?q_{1-\alpha/2} de la loi normale.

Maintenant, si on prend l’exponentiel d’un modèle linéaire (i.e. le logarithme de la variable d’intérêt est modélisé par un modèle linéaire) on a

avec une variance (conditionnelle) qui dépend de la variable explicative

Là encore, le plus naturel est d’utiliser comme bornes de l’intervalle de confiance des quantiles associés à la loi lognormale,

mais il n’est pas rare de voir utilisé des intervalles de type Gaussiens,

On perd là encore en interprétation car les bornes n’ont plus rien à voir avec les quantiles.


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