Des régressions en cascade

Cette fin de semaine, je mettais en ligne un court billet du deuxième effet kiss-cool où je rappelais que quand on fait une régression sur plusieurs variables explicatives corrélées, ce n’est pas équivalent à faire plusieurs régressions simple. C’est ce que disait le théorème de Frisch-Waugh, publié il y a près de 90 ans. Mais je glissais qu’il était possible de faire des régressions en cascade, sans aller beaucoup plus loin. Il faut relire l’article de Michael Lovell qui donner une interprétation géométrique de ce dessin. Mais programmons le, pour le voir… Considérons une base avec 3 variables explicatives, correspondant à des nombres d’incendies à Chicago

chicago=read.table("http://freakonometrics.free.fr/chicago.txt", header=TRUE,sep=";")

La régression multiple s’écrit iciy_i=\beta_0+\beta_1 x_{1,i}+\beta_2 x_{2,i}+\beta_3 x_{3,i}+\varepsilon_iOn peut estimer ces paramètres par moindre carrés,

reg=lm(Fire~.,data=chicago)
summary(reg)
 
Coefficients:
            Estimate Std. Error t value  Pr(|t|)    
(Intercept) 22.07525    6.19447   3.564 0.000910 ***
X_1         -0.62764    5.28130  -0.119 0.905953    
X_2          0.22378    0.06161   3.632 0.000744 ***
X_3         -1.55059    0.38195  -4.060 0.000204 ***

et on a alors la prévision suivante
\widehat{y}_i=\widehat{\beta}_0+\widehat{\beta}_1 x_{1,i}+\widehat{\beta}_2 x_{2,i}+\widehat{\beta}_3 x_{3,i}En fait, je peux même visualiser cette prévision.

BC = cbind(x0=coefficients(reg)[1],
           x1=coefficients(reg)[2]*chicago[,2],
           x2=coefficients(reg)[3]*chicago[,3],
           x3=coefficients(reg)[4]*chicago[,4],
           yp=predict(reg),y=chicago$Fire)
colr = 1:4
dessin_fire = function(i,BC=BC){
plot(0:3,0:3,xlim=c(0,35),col="white",ylim=c(-1,3),xlab="",ylab="",axes=FALSE)
abline(v=BC[i,1],lty=2)
rect(BC[i,1],3,BC[i,1]+BC[i,2],2,col=colr[1],border=NA)
arrows(BC[i,1],2.5,BC[i,1]+BC[i,2],2.5,lwd=2,length=.1,col="white")
rect(BC[i,1]+BC[i,2],2,BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3],1,col=colr[2],border=NA)
arrows(BC[i,1]+BC[i,2],1.5,BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3],1.5,lwd=2,length=.1,col="white") 
rect(BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3],1,BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3]+BC[i,4],0,col=colr[3],border=NA)
segments(BC[i,5],0,BC[i,5],1,lwd=3)
arrows(BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3],.5,BC[i,1]+BC[i,2]+BC[i,3]+BC[i,4],.5,lwd=2,length=.1,col="white") 
abline(v=BC[i,1],lty=2)
rect(BC[i,5],-1,BC[i,6],0,col=colr[4],density=20,border=NA)
segments(BC[i,6],0,BC[i,6],-1,lwd=3,col=colr[4])
text(26,2.5,expression(X[1]),pos=4,col=colr[1])
text(26,1.5,expression(X[2]),pos=4,col=colr[2])
text(26,.5,expression(X[3]),pos=4,col=colr[3])
text(26,-.5,expression(epsilon),pos=4,col=colr[4])
axis(1)}

Par exemple, pour la douzième observation de ma base

dessin_fire(12)

on obtient

On lit de haut en bas : on commence par constante, vers 22. Puis on rajoute trois fois rien, parce que x_1 était non-significative dans notre régression. Puis on rajoute un petit quelque chose à cause de x_2, pour passer à 25, et x_3 nous fait plonger de plus de 20 points, pour finir vers 3.67.Le trait noir est la prévision que l’on obtient, à partir des trois variables. En bleu, on peut même voir l’erreur.

On peut noter que x_1 est non-significative, tout en étant relativement corrélée avec y

cor(chicago[,1:2])
          Fire       X_1
Fire 1.0000000 0.3773486
X_1  0.3773486 1.0000000

Car si x_1 est non-significative, c’est parce que cette variable est très corrélée avec une autre variable explicative. En fait, on peut faire une série de régressions en cascade, en commençant par x_1, et plus spécifiquement, on peut écrire\widehat{y}_i=\underbrace{\widehat{b}_0+\widehat{b}_1 x_{1,i}}_{(1)}+\underbrace{\widehat{b}_{0,2}+\widehat{b}_2 \tilde{x}_{2,i}}_{(2)}+\underbrace{\widehat{b}_{0,3}+\widehat{b}_3 \tilde{x}_{3,i}}_{(3)}où le premier terme (1) est obtenu en régression simplement y sur x_1 (oui, on fait juste une régression simple),  y_i=b_0+b_1 x_{1,i}+\eta_ipuis on apporte une petite correction, pour tenir compte de ce que nous apprend x_2 une fois la première régression effectuée. C’est exactement ce que raconte le théorème de Frish-Waugh : on va projeter y sur x_1^{\perp} (car c’est justement ce que x_1 n’explique pas), et x_2 sur x_1^{\perp}  et faire la régression de ces deux projections, soit, pour (2) \Pi_{x_1^{\perp}}y_i=b_{0,2}+b_2 \Pi_{x_1^{\perp}}x_{2,i}+\eta_{2,i}puis pour (3) \Pi_{(x_1,x_2)^{\perp}}y_i=b_{0,3}+b_3 \Pi_{(x_1,x_2)^{\perp}}x_{3,i}+\eta_{2,i}En terme informatique, cela donne

reg1=lm(Fire~X_1,data=chicago)
reg2=lm(residuals(lm(Fire~X_1,data=chicago))~residuals(lm(X_2~X_1,data=chicago)))
reg3=lm(residuals(lm(Fire~X_1+X_2,data=chicago))~residuals(lm(X_3~X_1+X_2,data=chicago)))

soit ici

BC123=cbind(x0=coefficients(reg1)[1],
            x1=coefficients(reg1)[2]*chicago[,2],
            x2=coefficients(reg2)[1]+coefficients(reg2)[2]*residuals(lm(X_2~X_1,data=chicago)),
            x3=coefficients(reg3)[1]+coefficients(reg3)[2]*residuals(lm(X_3~X_1+X_2,data=chicago)),
            yp=predict(reg),y=chicago$Fire)

En adaptant la fonction de dessin précédante on obtient

dessin_fire_123(12)

Autrement dit, on commence avec une régression simple, en rouge: on part d’une constante vers 3.5, puis on augemente notre prévision, en tenant compte de x_1. Puis on corrige avec x_2 (ou plutôt la partie de x_2 non expliquée par x_1). sur ce qui n’avait pas été expliqué auparavant, ce qui pousse à revoir un peu à la baisse notre prévision, puis on tient compte de x_3 (ou là encore, sa projection sur l’orthogonal de x_1 et x_2). On note que la prévision est très exactement la même qu’auparavant.

Mais on peut aller plus loin… pourquoi commencer par x_1? On peut aussi commencer par x_2. On considère alors\widehat{y}_i=\underbrace{\widehat{b}_0+\widehat{b}_2 x_{2,i}}_{(2)}+\underbrace{\widehat{b}_{0,1}+\widehat{b}_1 \tilde{x}_{1,i}}_{(1)}+\underbrace{\widehat{b}_{0,3}+\widehat{b}_3 \tilde{x}_{3,i}}_{(3)}où le premier terme (2) est obtenu en régression simplement y sur x_2y_i=b_0+b_2 x_{2,i}+\eta_ipuis on apporte une petite correction, pour tenir compte de ce que nous apprend x_1 une fois la première régression effectuée, (1) \Pi_{x_2^{\perp}}y_i=b_{0,1}+b_1\Pi_{x_2^{\perp}}x_{1,i}+\eta_{1,i}puis pour (3) \Pi_{(x_1,x_2)^{\perp}}y_i=b_{0,3}+b_3 \Pi_{(x_1,x_2)^{\perp}}x_{3,i}+\eta_{2,i} Soit

reg1=lm(Fire~X_2,data=chicago)
reg2=lm(residuals(lm(Fire~X_2,data=chicago))~residuals(lm(X_1~X_2,data=chicago)))
reg3=lm(residuals(lm(Fire~X_1+X_2,data=chicago))~residuals(lm(X_3~X_1+X_2,data=chicago)))
BC213=cbind(x0=coefficients(reg1)[1],
            x1=coefficients(reg1)[2]*chicago[,3],
            x2=coefficients(reg2)[1]+coefficients(reg2)[2]*residuals(lm(X_1~X_2,data=chicago)),
            x3=coefficients(reg3)[1]+coefficients(reg3)[2]*residuals(lm(X_3~X_1+X_2,data=chicago)),
            yp=predict(reg),y=chicago$Fire)

et visuellement, on obtient

dessin_fire_213(12)

Cette fois, la constante est un peu plus élevée, et on commence par faire une régression seulement avec x_2, pour arriver un peu en dessous de 10. Puis on corrige. On note que cette seconde correction nous ramène… très exactement comme dans le cas précédant. Mais si on pense en projection successives, on ne doit pas être surpris.

On peut récapituler avec une autre prévision, soit avec le modèle de régresion multiple (mais là encore, x_1 n’explique pas grand chose)

dessin_fire(15)

soit en commencant par une régression simple sur x_1 puis en faisant des régression en cascade,

dessin_fire_123(15)

soit, alternativement, en commencant par une régression simple sur x_2

dessin_fire_213(15)

Comme annoncé, cette trois approches sont équivalentes, et donnent très exactement la même prévision.


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