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Bailey (1963) and Poisson regression on two factors

Consider the following dataset, from A Theory of Extramarital Affairs, by Ray Fair, published in 1978 in the Journal of Political Economy, with 563 observations, and nine variables : eight covariates, and the variable of interest, the number of extramarital affairs, over a year,

base = read.table("http://freakonometrics.free.fr/baseaffairs.txt",header=TRUE)
str(base)
'data.frame':	563 obs. of  9 variables:
 $ SEX         : int  1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 ...
 $ AGE         : num  37 27 32 57 22 32 22 57 32 22 ...
 $ YEARMARRIAGE: num  10 4 15 15 0.75 1.5 0.75 15 15 1.5 ...
 $ CHILDREN    : int  0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 ...
 $ RELIGIOUS   : int  3 4 1 5 2 2 2 2 4 4 ...
 $ EDUCATION   : int  18 14 12 18 17 17 12 14 16 14 ...
 $ OCCUPATION  : int  7 6 1 6 6 5 1 4 1 4 ...
 $ SATISFACTION: int  4 4 4 5 3 5 3 4 2 5 ...
 $ Y           : int  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ...

Let us focus on two categorical covariates, related to the importance of religion, and the occupation

df=data.frame(y=base$Y,
              religion=as.factor(base$RELIGIOUS),
              occupation=as.factor(base$OCCUPATION),
              expo = 1)
(E=xtabs(expo~religion+occupation,data=df))
        occupation
religion  1  2  3  4  5  6  7
       1  4  1  8  4 16  9  0
       2 23  3 11 17 56 36  6
       3 29  1 10 12 39 25  2
       4 38  7 12 21 59 44  2
       5 13  1  3 10 19 19  3
(N=xtabs(y~religion+occupation,data=df))
        occupation
religion  1  2  3  4  5  6  7
       1  4  1 13  3 13  7  0
       2  1  1 13 10 25 43 10
       3 15  0 12 11 34 35  1
       4 24  1  3 15 11  9 10
       5  6  0  0  6 11  7  0

The two tables above are the exposure (number of observations) and the number of extramarital affairs, here as contingency tables. Without any covariate, one can assume that N\sim\mathcal{P}(\lambda\cdot E), where \lambda would be

sum(N)/sum(E)
[1] 0.6305506

The idea with the margin method is to assume that N_{i,j}=E_{i,j}\cdot\lambda_{i,j} where \lambda_{i,j}=A_i\cdot B_j. Bailey (1963) added two series of constraints : per row, \sum_j N_{i,j}=\sum_j E_{i,j}\cdot A_i\cdot B_j for any i and similarly, for any j \sum_i N_{i,j}=\sum_i E_{i,j}\cdot A_i\cdot B_jFrom the first series of constraints, write A_i=\frac{\sum_j N_{i,j}}{\sum_j E_{i,j}\cdot B_j} and use the second series to write B_j=\frac{\sum_i N_{i,j}}{\sum_i E_{i,j}\cdot A_i}Because we need A_i‘s to compute B_j‘s, and conversely, it is natural to consider some iterative procedure to solve it. Observe that we do not have unicity…

Consider here some starting values for A_i‘s and B_j‘s

A=rep(1,length(levels(df$religion)))
B=rep(1,length(levels(df$occupation)))*sum(N)/sum(E)
A
[1] 1 1 1 1 1
B
[1] 0.6305506 0.6305506 0.6305506 0.6305506 0.6305506 0.6305506 0.6305506

The predicted number of extramarital affairs would be \hat N_{i,j}=E_{i,j}\cdot\hat A_i\cdot \hat B_j

E * A%*%t(B)
        occupation
religion          1          2          3          4          5          6          7
       1  2.5222025  0.6305506  5.0444050  2.5222025 10.0888099  5.6749556  0.0000000
       2 14.5026643  1.8916519  6.9360568 10.7193606 35.3108348 22.6998224  3.7833037
       3 18.2859680  0.6305506  6.3055062  7.5666075 24.5914742 15.7637655  1.2611012
       4 23.9609236  4.4138544  7.5666075 13.2415631 37.2024867 27.7442274  1.2611012
       5  8.1971581  0.6305506  1.8916519  6.3055062 11.9804618 11.9804618  1.8916519
sum(B*E[1,])
[1] 26.48313
sum(B*E[2,])
[1] 95.84369
apply(t(B*t(E)),1,sum)
        1         2         3         4         5 
 26.48313  95.84369  74.40497 115.39076  42.87744 
sum(A*E[,1])
[1] 107
sum(A*E[,2])
[1] 13
apply(A*E,2,sum)
  1   2   3   4   5   6   7 
107  13  44  64 189 133  13

From expressions above, observe that one can very easily write expressions of A_i‘s and B_j‘s as functions of B_j‘s and A_i‘s respectively

A=apply(N,1,sum)/apply(t(B*t(E)),1,sum)
B=apply(N,2,sum)/apply(A*E,2,sum)

Let it iterate one thousand times

for(i in 1:1000){
  A=apply(N,1,sum)/apply(t(B*t(E)),1,sum)
  B=apply(N,2,sum)/apply(A*E,2,sum)
}

We obtain here

A
        1         2         3         4         5 
1.5404346 1.0447195 1.4825650 0.6553159 0.6634763 
B
        1         2         3         4         5         6         7 
0.4685515 0.2629769 0.8454435 0.7245310 0.4889697 0.7770553 1.6753750 
E * A%*%t(B)
        occupation
religion          1          2          3          4          5          6          7
       1  2.8870914  0.4050987 10.4188024  4.4643702 12.0516123 10.7730250  0.0000000
       2 11.2586111  0.8242113  9.7157637 12.8678376 28.6068235 29.2249717 10.5017811
       3 20.1450811  0.3898804 12.5342484 12.8899708 28.2722423 28.8008726  4.9677044
       4 11.6678702  1.2063307  6.6483904  9.9707299 18.9053460 22.4055332  2.1957997
       5  4.0413463  0.1744790  1.6827951  4.8070914  6.1639760  9.7955975  3.3347148

That is our prediction, per category, of the number of affairs. Observe that here, sums per row are equal to observed numbers,

apply(N,1,sum)
  1   2   3   4   5 
 41 103 108  73  30 
apply(E * A%*%t(B),1,sum)
  1   2   3   4   5 
 41 103 108  73  30

as well as sums per colums

apply(N,2,sum)
  1   2   3   4   5   6   7 
 50   3  41  45  94 101  21 
apply(E * A%*%t(B),2,sum)
  1   2   3   4   5   6   7 
 50   3  41  45  94 101  21

Now, why should I mention that here, in the section on the Poisson regression in our course ? Because actually, this is exactly what we get if we run a Poisson regression on those two covariates

reg=glm(y~religion+occupation,data=df,family=poisson)
summary(reg)
Coefficients:
            Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)    
(Intercept) -0.32604    0.21325  -1.529 0.126285    
religion2   -0.38832    0.18791  -2.066 0.038783 *  
religion3   -0.03829    0.18585  -0.206 0.836771    
religion4   -0.85470    0.19757  -4.326 1.52e-05 ***
religion5   -0.84233    0.24416  -3.450 0.000561 ***
occupation2 -0.57758    0.59549  -0.970 0.332083    
occupation3  0.59022    0.21349   2.765 0.005699 ** 
occupation4  0.43588    0.20603   2.116 0.034381 *  
occupation5  0.04265    0.17590   0.242 0.808399    
occupation6  0.50587    0.17360   2.914 0.003569 ** 
occupation7  1.27415    0.26298   4.845 1.27e-06 ***
---
Signif. codes:  0***0.001**0.01*0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

First of all, observe that the total sum of predictions equals the total sum of observations

yp = predict(reg,type="response")
sum(yp)
[1] 355
sum(df$y)
[1] 355

But actually, the predicted number of affairs, for our 35 classes, is exactly what we got using Bailey’s technique

xtabs(yp~df$religion+df$occupation)
           df$occupation
df$religion          1          2          3          4          5          6          7
          1  2.8870914  0.4050987 10.4188024  4.4643702 12.0516123 10.7730250  0.0000000
          2 11.2586112  0.8242113  9.7157637 12.8678376 28.6068235 29.2249717 10.5017811
          3 20.1450813  0.3898804 12.5342484 12.8899708 28.2722424 28.8008726  4.9677044
          4 11.6678703  1.2063307  6.6483904  9.9707300 18.9053460 22.4055332  2.1957997
          5  4.0413464  0.1744790  1.6827951  4.8070914  6.1639761  9.7955975  3.3347148
E * A%*%t(B)
        occupation
religion          1          2          3          4          5          6          7
       1  2.8870914  0.4050987 10.4188024  4.4643702 12.0516123 10.7730250  0.0000000
       2 11.2586111  0.8242113  9.7157637 12.8678376 28.6068235 29.2249717 10.5017811
       3 20.1450811  0.3898804 12.5342484 12.8899708 28.2722423 28.8008726  4.9677044
       4 11.6678702  1.2063307  6.6483904  9.9707299 18.9053460 22.4055332  2.1957997
       5  4.0413463  0.1744790  1.6827951  4.8070914  6.1639760  9.7955975  3.3347148

To be more specific, up to a multiplicate constant, series of coefficients are equal here, e.g. for A_i‘s

a=exp(coefficients(reg)[1]+c(0,coefficients(reg)[2:5]))
a/a[1]
          religion2 religion3 religion4 religion5 
1.0000000 0.6781979 0.9624329 0.4254098 0.4307072 
A/A[1]
        1         2         3         4         5 
1.0000000 0.6781979 0.9624329 0.4254098 0.4307072

but also for B_j‘s

b=exp(coefficients(reg)[1]+c(0,coefficients(reg)[6:11]))
b/b[1]
            occupation2 occupation3 occupation4 occupation5 occupation6 occupation7 
  1.0000000   0.5612551   1.8043769   1.5463210   1.0435773   1.6584203   3.5756477 
B/B[1]
        1         2         3         4         5         6         7 
1.0000000 0.5612551 1.8043770 1.5463210 1.0435773 1.6584203 3.5756478

This will have major implications in non-life insurance models (for claims reserving).

October, grant proposal season

In 2012, Danielle Herbert, Adrian Barnett, Philip Clarke and Nicholas Graves published an article entitled “on the time spent preparing grant proposals: an observational study of Australian researchers“, whose conclusions had been included in Nature under a more explicit title, “Australia’s grant system wastes time” ! In this study, they included 3700 grant applications sent to the National Health and Medical Research Council, and showed that each application represented 37 working days: “Extrapolating this to all 3,727 submitted proposals gives an estimated 550 working years of researchers’ time (95% confidence interval, 513-589)“. But in these times when I have to write my funding application, I find that losing 37 days of work is huge. Because it’s become the norm! And somehow, it’s sad.

Forget about the crazy idea that I would rather, in fact, spend more time doing my research. In fact, the thought I had this morning was that it is rather sad that in the Faculty of Science, mathematicians are asked to spend a considerable amount of time, comparable to that required of physicists or chemists, for often smaller amounts of funding… And I thought it could be easily verified. We start by retrieving the discipline codes

url="http://www.nserc-crsng.gc.ca/NSERC-CRSNG/FundingDecisions-DecisionsFinancement/ResearchGrants-SubventionsDeRecherche/ResultsGSC-ResultatsCSS_eng.asp"
download.file(url,destfile = "GSC.html")
library(XML)
tables=readHTMLTable("GSC.html")
GSC=tables[[1]]$V1
GSC=as.character(GSC[-(1:2)])
namesGSC=tables[[1]]$V2
namesGSC=as.character(namesGSC[-(1:2)])

We’re going to need a small function, to remove the $ and other symbols that pollute the data (and prevent them from being treated as numbers)

library(stringr)
Correction = function(x) as.numeric(gsub('[$,]', '', x))

We will now read the 12 pages, and harvest (we will just take the 2017 data, but we could go back a few years before)

grants= function(gsc){
     url=paste("http://www.nserc-crsng.gc.ca/NSERC-CRSNG/FundingDecisions-DecisionsFinancement/ResearchGrants-SubventionsDeRecherche/ResultsGSCDetail-ResultatsCSSDetails_eng.asp?Year=2017&GSC=",gsc,sep="")
    download.file(url,destfile = "GSC.html")
    library(XML)
    tables=readHTMLTable("GSC.html")
    X=as.character(tables[[1]]$"Awarded Amount")
    A=as.numeric(Vectorize(Correction)(X))
return(c(median(A),mean(A),as.numeric(quantile(A,(1:99)/100))))
}
M=Vectorize(grants)(GSC[1:12])

The average amounts of individual grants can be compared,

barplot(M[2,])

In mathematics, the average grant amount is $24400. If we normalize by this quantity, we obtain

barplot(M[2,]/M[2,8])

In other words, the average amount of a (individual) grant in chemistry (to pay for students, conferences, etc.) is twice that in mathematics, 60% higher in physics than in maths…

We can also look at the median values (rather than the averages)

barplot(M[1,])

Here again, it is in mathematics that it is the weakest….

barplot(M[1,]/M[1,8])

in comparable proportions. If we think that the time spent writing should be proportional to the amount allocated, we should spend half as much time in math as in chemistry.

Cumulative functions can also be ploted,

plot(M[3:101,8],(1:99)/100,type="s",xlim=range(M))
lines(M[3:101,5],(1:99)/100,type="s",col="red")
lines(M[3:101,4],(1:99)/100,type="s",col="blue")

with math in black, physics in red, and chemistry in blue. What is surprising is the bottom part: a “bad” researcher in chemistry or physics will earn more than the median researcher in mathematics…

Now that my intuition is confirmed, I have to go back, writing my proposal… and explain to my coauthors that I have to postpone some research projects because, well, you know…

« Dans toute statistique, l’inexactitude du nombre est compensée par la précision des décimales »

Le statisticien et économiste Alfred Sauvy est resté dans les mémoires pour avoir inventé en 1952 le terme “tiers-monde”. Mais on lui a aussi attribué la paternité de la phrase suivante « dans toute statistique, l’inexactitude du nombre est compensée par la précision des décimales ». J’ai du l’entendre alors que j’étais étudiant, et depuis, elle me suit partout.

J’y repensais l’autre jour, quand Mathieu Gallard mentionnait sur Twitter le graphique suivant (correspondant a la popularité du président de la république, en France, dans les 18 mois qui suivent l’élection).

Le tweet disait (entre autres) “ est à ce stade de son quinquennat légèrement moins populaire que “. Pour rappel, ces courbes “de popularité” sont construites par un sondage, avec a chaque fois environ 1000 personnes interrogées (“sur la taille de l’échantillon on est toujours entre 950 et 970 interviews” me disait Mathieu). Bon, tous ceux qui ont des souvenirs de cours de stats se souviennent qu’avec 1000 personnes interrogées, 2 points de différence, c’est rarement significatif. Mais plus globalement, compte tenu de la marge d’erreur, je me suis demande pourquoi les courbes n’étaient pas lissées ? Ça éviterait les discussions stériles pour une variation de 2 points par exemple..

Si on reprend les données brutes (merci Mathieu), on a ici

rate=read.csv2("http://freakonometrics.free.fr/satisfaction.csv")
plot(rate[,2],type="b",ylim=c(.2,.75),xlim=c(0,20),pch=19)
lines(rate[,3],type="b",col="red")
lines(rate[,4],type="b",col="blue")
lines(rate[,5],type="b",col="dark green")
text(18.15,rate[17,2],"EM")
text(18.15,rate[17,3],"FH",col="red")
text(18.15,rate[17,4],"NS",col="blue")
text(18.15,rate[17,5],"JC",col="dark green")

ce qui donne le même que dans le tweet (même si je n’ose pas interpoler linéairement les valeurs manquantes – il y en a deux dans mon fichier)

Prenons la courbe la plus récente, celle d’Emmanuel Macron (avec en plus les valeurs manquantes pour pimenter un peu) et rajoutons les intervalles de confiance ponctuels.

plot(rate$EM,type="b",ylim=c(.2,.5))
p=rate$EM
n=length(p)
arrows(1:n,p-2/sqrt(1000)*sqrt(p*(1-p)),1:n,p+2/sqrt(1000)*sqrt(p*(1-p)),code=3,angle=90,length=.1,col="blue")

Personnellement, j’aurais bien voulu (1) lisser tout ça, (2) rajouter quelque chose qui s’apparente a des bandes de confiance. Mais avec des erreurs de mesure (c’est comme ça qu’on peut interpréter le fait que les points viennent d’un sondage), je ne sais pas trop quoi faire. J’ai tenté la méthode suivante : le tire au hasard des points dans l’intervalle de confiance, puis je lisse sur ce nouveau jeu de points. Et je répète mille fois

library(mgcv)
Y=matrix(NA,73,1000)
for(s in 1:1000){
  x=(1:n)[!is.na(p)]
  pna=p[!is.na(p)]
  ps=rnorm(length(x),pna,1/sqrt(1000)*sqrt(pna*(1-pna)))
  b=data.frame(x=x,y=ps)
  reg=gam(y~s(x),data=b)
  yp=predict(reg,newdata=data.frame(x=seq(0,18,by=.25)))
  Y[,s]=yp
  if(s<100) lines(seq(0,18,by=.25),yp,col="light blue")
} 
lines(seq(0,18,by=.25),apply(Y,1,mean),col="red",lwd=2)
lines(seq(0,18,by=.25),apply(Y,1,function(x) quantile(x,.95)),col="red",lty=2)
lines(seq(0,18,by=.25),apply(Y,1,function(x) quantile(x,.05)),col="red",lty=2)

On voit que notre courbe lissée est réaliste, voire même les pseudo-bandes de confiance autour. Pour obtenir ces trois courbes, on peut utiliser la fonction suivante

courbe=function(j=1){
p=rate[,1+j]
n=length(p)
Y=matrix(NA,73,1000)
for(s in 1:1000){
  x=(1:n)[!is.na(p)]
  pna=p[!is.na(p)]
  ps=rnorm(length(x),pna,1/sqrt(1000)*sqrt(pna*(1-pna)))
  b=data.frame(x=x,y=ps)
  reg=gam(y~s(x),data=b)
  yp=predict(reg,newdata=data.frame(x=seq(0,18,by=.25)))
  Y[,s]=yp
} 
data.frame(
x=seq(0,18,by=.25),
pred=apply(Y,1,mean),
upr=apply(Y,1,function(x) quantile(x,.975)),
lwr=apply(Y,1,function(x) quantile(x,.025)))
}

Sur les quatre colonnes de notre tableau, ça donne

plot(rate[,2],type="b",ylim=c(0,.8),xlim=c(0,20),col="white")
Y=courbe(4)
polygon(c(Y$x,rev(Y$x)),c(Y$upr,rev(Y$lwr)),col=rgb(0,1,0,.4),border=NA)
lines(Y$x,Y$pred,col="dark green",lwd=2)
text(18.65,Y$pred[73],"JC",col="dark green")
Y=courbe(3)
polygon(c(Y$x,rev(Y$x)),c(Y$upr,rev(Y$lwr)),col=rgb(0,0,1,.4),border=NA)
lines(Y$x,Y$pred,col="blue",lwd=2)
text(18.65,Y$pred[73],"NS",col="blue")
Y=courbe(2)
polygon(c(Y$x,rev(Y$x)),c(Y$upr,rev(Y$lwr)),col=rgb(1,0,0,.4),border=NA)
lines(Y$x,Y$pred,col="red",lwd=2)
text(18.65,Y$pred[73],"FH",col="red")
Y=courbe(1)
polygon(c(Y$x,rev(Y$x)),c(Y$upr,rev(Y$lwr)),col="grey",border=NA)
lines(Y$x,Y$pred,col="black",lwd=2)
text(18.65,Y$pred[73],"EM",col="black")

Pourquoi les instituts de sondages, qui produisent les courbes de popularité, ne montrent pas ce genre de courbes ? Elles sont – a mon avis – aussi justes que celles qu’ils fournissent, au centième près, jouant sur une précision que l’incertitude ne devrait pas autoriser…

Analyse des résultats au baccalauréat des séries générales

Pour continuer sur les manipulation de données publiques, je voulais m’inspirer du projet de Cédric, de la formation Data Science pour l’Actuariat sur les résultats au baccalauréat. Les données nécessaires à cette étude sont disponibles sur plusieurs sites,

Il ne s’agit aucunement d’une analyse poussée des résultats, juste un peu de visualisation, sans aucune autre prétention ! Ah oui, même si on ne va pas faire de carte (je les trouve peu lisibles) on va quand même utiliser les données spatiales : les établissements scolaires sont géolocalises, et on peut obtenir des informations locales, sur le taux de chômage, ou le revenu médian. Et faire des graphiques.

Ce préambule passé, on peut commencer.

library(dplyr)
library(readxl)
library(sp)
library(ggmap)
library(raster)
library(leaflet)
library(DT)
library(cowplot)
library(gstat)
library(tmap)

On va commencer par récupérer par établissement, les résultats au bac.

url_resultat_etab = "https://data.education.gouv.fr/explore/dataset/fr-en-indicateurs-de-resultat-des-lycees-denseignement-general-et-technologique/download/?format=csv&timezone=Europe/Berlin&use_labels_for_header=true"
download.file(url_resultat_etab,destfile = paste0(librairie,"import_resultat_etab.csv"), method="curl")
df_resultat_etab = read.csv("import_resultat_etab.csv",header=TRUE, sep= ";", encoding="UTF-8")

Comme bien souvent avec les données des administrations françaises, on a souvent des soucis de typographie. Pour simplifier, on va supprimer les accents, et uniformiser un peu les noms

MiseEnForme_Colonnes = function(text) {
  text <- gsub("è", "e", text)  
  text <- gsub("é", "e", text)         
  text <- gsub("_", ".", text)
  text <- gsub("serie.", "", text)
  text <- gsub("Effectif.Presents.", "Effectif.", text)
  text <- gsub("Taux.","Tx.",text)
  text <- gsub("Brut.de.Reussite.", "Admis.Etab.", text)
  text <- gsub("Reussite.Attendu.", "Admis.", text)
  text <- gsub("brut", "Etab", text)
  text <- gsub("attendu", "Academie", text)
  text <- gsub("toutes.", "TOTAL", text)
  text <- gsub("Total.", "TOTAL", text)
  text <- gsub("..Etablissement", ".Etab", text)
  text <- gsub("Pourcentage", "Tx", text)
  return(text)
}
for(i in 1:ncol(df_resultat_etab)){
  colnames(df_resultat_etab)[i] <- MiseEnForme_Colonnes(names(df_resultat_etab)[i])
}

On va ensuite supprimer les départements et régions d’outre-mer,

df_resultat_etab = df_resultat_etab[-which(toupper(df_resultat_etab$Departement) %in% c("GUADELOUPE","MAYOTTE","MARTINIQUE","REUNION","GUYANE")),]

récupérer les noms des colonnes

Colonnes = colnames(df_resultat_etab)

et comme on s’intéresse aux premières variables

Colonnes_Generiques = Colonnes[1:8]

on les recupere, pour construire quelques statistiques pour colonnes relatives aux séries L, ES et S

Colonnes_Series = Colonnes[grepl("([a-zA-Z]*?.)*\\.S$|([a-zA-Z]*?.)*\\.ES$|([a-zA-Z]*?.)*\\.L$|([a-zA-Z]*?.)*\\.TOTAL$",Colonnes)]

Et on finit avec les autres

Colonnes_Autres = Colonnes[grepl("(Tx.Bacheliers.*)|(Tx.acces.*)|(Effectif.de.*)|(libelle.region)|(code.region)|(element)",Colonnes)] 
df_resultat_etab = cbind(df_resultat_etab[Colonnes_Generiques],df_resultat_etab[Colonnes_Series],df_resultat_etab[Colonnes_Autres])

On peut aussi localiser les établissements

url_carto_etab <- "https://www.data.gouv.fr/s/resources/adresse-et-geolocalisation-des-etablissements-denseignement-du-premier-et-second-degres/20160526-143453/DEPP-etab-1D2D.csv"
 
download.file(url_carto_etab,destfile=paste0(librairie,"import_carto_etab.csv"))
df_carto_etab = read.csv2("import_carto_etab.csv",header=TRUE

On récupère ici la géolocalisation de 66556 établissements nationaux ! On peut croiser avec des données socio-économiques des communes

nom_base_emploi = "base-cc-emploi-pop-act-2014"
url_baseemploi_popactive = paste0("https://www.insee.fr/fr/statistiques/fichier/2862207/",nom_base_emploi,".zip")
download.file(url_baseemploi_popactive,destfile=paste0(librairie,nom_base_emploi,".zip"))
unzip(paste0(nom_base_emploi,".zip"),overwrite = TRUE) 
df_base_emploi_source = read_excel(paste0(nom_base_emploi,".xls"),sheet="COM_2014",skip=5)

On va exclure les territoires d’outre-mer ici

df_base_emploi_source <- df_base_emploi_source[-which(df_base_emploi_source$DEP %in% c("971","972","973","974","975")),]
df_base_emploi_colonnes = c("CODGEO","P14_POP1564","P14_H1564","P14_F1564","P14_ACT1564","P14_ACTOCC1564","P14_CHOM1564","P14_INACT1564", "P14_ETUD1564", "P14_RETR1564", "P14_AINACT1564", "P14_HCHOM1524", "P14_FCHOM1524", "C14_ACT1564","C14_ACT1564_CS1","C14_ACT1564_CS2","C14_ACT1564_CS3","C14_ACT1564_CS4","C14_ACT1564_CS5","C14_ACT1564_CS6","P14_POP15P")
df_base_emploi = df_base_emploi_source[,names(df_base_emploi_source) %in% df_base_emploi_colonnes]

et corriger les soucis classiques de la Corse,

MiseEnForme_CodeGeo = function(text) {
  text <- gsub("2A", "20", text)  
  text <- gsub("2B", "20", text)  
}
df_base_emploi$CODGEO = MiseEnForme_CodeGeo(df_base_emploi$CODGEO)

On peut aussi utiliser des données de revenus, par communes

nom_base_revenus = "indic-struct-distrib-revenu-2014-COMMUNES"
url_baserevenus = paste0("https://www.insee.fr/fr/statistiques/fichier/3126151/",nom_base_revenus,".zip")
download.file(url_baserevenus,destfile=paste0(librairie,nom_base_revenus,".zip"))
unzip(paste0(nom_base_revenus,".zip"),overwrite = TRUE)
df_base_revenus = read_excel("FILO_DISP_COM.xls",sheet="ENSEMBLE",skip=5)[,c(1,4,7)]
df_base_revenus$CODGEO = MiseEnForme_CodeGeo(df_base_revenus$CODGEO)

On recupere des donnees spatiales relatives aux communes

url_geoloc_communes = "http://www.nosdonnees.fr/wiki/images/b/b5/EUCircos_Regions_departements_circonscriptions_communes_gps.csv.gz"
download.file(url_geoloc_communes,destfile=paste0(librairie,"geoloc_communes.csv.gz"))
df_geoloc_communes = read.csv2(gzfile("geoloc_communes.csv.gz"),header=TRUE, stringsAsFactors = FALSE,encoding="UTF-8")

et comme toujours, un peu de corrections s’imposent

df_geoloc_communes = df_geoloc_communes[-which(df_geoloc_communes$numéro_département %in% c("971","972","973","974","975")),]
df_geoloc_communes = df_geoloc_communes[,names(df_geoloc_communes) %in% c("code_insee","latitude","longitude","codes_postaux")]
df_geoloc_communes_nb <- nrow(df_geoloc_communes)

On va ensuite creer une fonction de remplacement des valeurs manquantes, et de correction des séparateurs décimaux

MiseEnForme_CoordonneesGeo = function(valeur){
pretraitement = ifelse(as.character(valeur)=="-","0",as.character(valeur))
traitement = as.numeric(ifelse(pretraitement==".","0",gsub(pattern=",",replacement=".",pretraitement)))
  return(traitement)
}
df_geoloc_communes$latitude = MiseEnForme_CoordonneesGeo(df_geoloc_communes$latitude)
df_geoloc_communes$longitude = MiseEnForme_CoordonneesGeo(df_geoloc_communes$longitude)

On passe ensuite a l’élimination des lignes en double

df_geoloc_communes = unique(df_geoloc_communes)

On va ensuite changer les noms des colonnes pour harmoniser avec les autres bases

names(df_geoloc_communes) = c("Codes_Postaux","CODGEO","coordonnee_y","coordonnee_x")

On peut ensuite rechercher les lignes en double sur les codes insee

liste_CODGEO2 = aggregate(x=df_geoloc_communes$Codes_Postaux,by=list(df_geoloc_communes$CODGEO),FUN="length")
list_geoloc_communes_CODGEO2 = liste_CODGEO2[liste_CODGEO2$x>1,1]
df_geoloc_communes_CODGEO2 = df_geoloc_communes[df_geoloc_communes$CODGEO %in% list_geoloc_communes_CODGEO2,1:2]

Ici, un correction manuelle s’impose pour 4 configurations : les données propres à Lyon, Paris et Marseille ne sont pas géolocalisées, les données propres à la ville de Laguépie sont géolocalisées en doubles

df_geoloc_communes_propre = df_geoloc_communes[!df_geoloc_communes$CODGEO %in% list_geoloc_communes_CODGEO2,]
df_geoloc_communes_corrige = data.frame(Codes_Postaux=c("13001","69001","75001","82250"),                        CODGEO=c("13055","69123","75056","82088"),
coordonnee_y=c(43.3,45.75,48.85,44.15),
coordonnee_x=c(5.4,4.85,2.31,1.97))
df_geoloc_communes = rbind(df_geoloc_communes_propre,df_geoloc_communes_corrige)

On peut enfin fusionner les bases

df_etab = merge(df_resultat_etab,df_carto_etab,by="Cod.Etab")

Certains établissements ne peuvent être géolocalisés pour certaines années

df_etab_total_nongeolocalises <- df_resultat_etab[!df_resultat_etab$Cod.Etab %in% df_carto_etab$Cod.Etab,]

Comme l’étude ne porte que sur les seuls lycées d’enseignement général et technologique, le dataframe est réduit aux observations relatives d’une part aux lycées, d’autre part aux établissements d’enseignement polyvalent, général ou général et technologique.

df_etab = df_etab[grep("LYCÉE",toupper(df_etab$nature_uai_libe)),]
df_etab = df_etab[grep("GÉNÉRAL|POLYVALENT",toupper(df_etab$nature_uai_libe)),]
df_etab_nongeolocalises = df_etab[df_etab$Cod.Etab %in% df_etab_total_nongeolocalises$Cod.Etab,]
df_etab_geolocalise = df_etab[!is.na(df_etab$coordonnee_x),]
df_etab_geolocalise = df_etab_geolocalise[!is.na(df_etab_geolocalise$coordonnee_y),]

Enfin, on va convertir les code géographiques (ici reconnus comme facteur) en chaines de caractères (de 5 caractères) pour pouvoir fusionner les tables

ConvertCODGEO = function(code) {
  if(is.character(code)) {
    code_character = ifelse(nchar(code)<5, paste0("0",code), code)
    return(code_character)
  }
  else if(is.factor(code)){
    code_character = ifelse(code<10000, paste0("0",as.numeric(as.character(code))), as.numeric(as.character(code)))
    return(code_character)
  }
  else if(is.numeric(code)){
    code_character = ifelse(code<10000, paste0("0",code), as.character(code))
    return(code_character)
  } 
}
df_etab_geolocalise$Code.commune = ConvertCODGEO(df_etab_geolocalise$Code.commune) 
df_etab_geolocalise$Secteur.Public.Prive = sapply(df_etab_geolocalise$Secteur.Public.Prive,function(nature) {ifelse(nature=="PU","Lycées Publics","Lycées Privés")})

On conservation alors les établissements dont la commune n’est pas manquante

df_etab_geolocalise = df_etab_geolocalise[!is.na(df_etab_geolocalise$Code.commune),]

Pour finir, on va creer une base, pour ensuite faire une graphique

tbl_etab_nature_res_source = df_etab_geolocalise[,c(3,8,9,10,11,13,14,15)]
for(i in c(6,7,8)){
  temp = tbl_etab_nature_res_source[!is.na(tbl_etab_nature_res_source[i]),c(1,2,i-3,i)]
  temp$Serie = ifelse(i==6,"L",ifelse(i==7,"ES","S"))
  names(temp)[2:4] = c("Nature","Effectif","Tx.Admis")
  if(i==6){
    tbl_etab_nature_result = temp
  }
  else{
    tbl_etab_nature_result = rbind(tbl_etab_nature_result,temp)
  }
}
graph = ggplot(tbl_etab_nature_result,aes(x=Effectif,y=Tx.Admis,colour=factor(Annee))) 
graph = graph + geom_point(alpha=0.45)
graph = graph + facet_grid(Serie~Nature)
graph = graph + xlab("Effectifs de l'établissement en terminale (par série)") + ylab("Taux d'admission (%)") 
graph = graph + scale_color_discrete(name="Année des\nrésultats")
graph = graph + theme(legend.title = element_text(size=9,face="bold"),
       legend.text = element_text(size=9),
       strip.background = element_rect(colour="black", fill="gray95"),
       panel.border = element_rect(linetype = "solid"),
       panel.grid.major = element_line(colour = "gray75",linetype = "dashed"),
       panel.grid.minor = element_line(colour = "gray95",linetype = "dashed"),
       axis.title.x = element_text(size=9, face="bold"),
       axis.text.x  = element_text(size=8),
       axis.title.y = element_text(size=9, face="bold"),
       axis.text.y  = element_text(size=8))
graph

On a ici l’evolution des resultats en fonction de la taille des etablissements.

df_communes_CorrNaN = df_communes_Corr[which(!df_communes_Corr$TxChomage == "NaN" & !df_communes_Corr$TxCadres == "NaN" & !df_communes_Corr$TxOuvriers == "NaN" & !df_communes_Corr$NbPopulation == "NaN" & !df_communes_Corr$TxSenior == "NaN" & !df_communes_Corr$RevenusMedians == "NaN"),]
df_communes_sp = SpatialPointsDataFrame(coords = df_communes_CorrNaN[, c("coordonnee_x", "coordonnee_y")], data = df_communes_CorrNaN) 
Grille              = as.data.frame(makegrid(df_communes_sp, nsig=2, cellsize = 0.1))
names(Grille)       = c("X", "Y")
coordinates(Grille) = c("X", "Y")
gridded(Grille)     = TRUE  
fullgrid(Grille)    = TRUE  
proj4string(Grille) = proj4string(df_communes_sp)

On peut ensuite faire du krigeage, histoire de lisser un peu nos donnees de chomage et de revenu

df_communes_sp.TxChomage = krige(TxChomage ~ 1, df_communes_sp, Grille, nmax=1)
df_communes_sp.RevenusMedians = krige(RevenusMedians ~ 1, df_communes_sp, Grille, nmax=1)
sp_lycee_WGS84@data$TxChomage      = extract(R.TxChomage,sp_lycee_WGS84)
sp_lycee_WGS84@data$TxCadres       = extract(R.TxCadres,sp_lycee_WGS84)
sp_lycee_WGS84@data$TxOuvriers     = extract(R.TxOuvriers,sp_lycee_WGS84)
sp_lycee_WGS84@data$NbPopulation   = extract(R.NbPopulation,sp_lycee_WGS84)
sp_lycee_WGS84@data$TxSenior       = extract(R.TxSenior,sp_lycee_WGS84)
sp_lycee_WGS84@data$RevenusMedians = extract(R.RevenusMedians,sp_lycee_WGS84)

On peut enfin conclure, en faisant une fonction generique de visualisation

Creation_Graphique = function(df, AnneeObs_Ouv, AnneeObs_Clo, Effectifs, Abscisses, Ordonnees, TitreAbs, TitreOrd, CouleurGraph, CouleurLiss, Serie) {
  df_temp = df[which(df$Annee>=AnneeObs_Ouv & df$Annee<=AnneeObs_Clo),]
  df_temp = df_temp[which(!is.na(df_temp[,Effectifs]) & !is.na(df_temp[,Abscisses]) & !is.na(df_temp[,Ordonnees])),]
  df_temp = df_temp[!df_temp[,Effectifs]==0,]
  df_temp = df_temp[,c(Abscisses,Ordonnees)]
  graphique = ggplot(df_temp,aes(x = df_temp[,Abscisses],y = df_temp[,Ordonnees])) 
  graphique = graphique + geom_point(data = df_temp, aes(x = df_temp[,Abscisses],y = df_temp[,Ordonnees]),size=1, color=CouleurGraph,alpha=0.25) 
  graphique = graphique + geom_density2d(aes(colour=..level..),show.legend=F) + scale_colour_gradient(low="gray55",high="gray25") 
  graphique = graphique + scale_y_continuous(breaks= seq(80,100,by=2), limits = c(80,100))
  graphique = graphique + xlab(TitreAbs) + ylab(TitreOrd) 
  graphique = graphique + ggtitle(Serie) 
  graphique = graphique + theme(plot.title   = element_text(size=13,color=CouleurLiss, face="bold", hjust=0),
       axis.title.x = element_text(size=8, face="bold"),
       axis.text.x  = element_text(size=8),
       axis.title.y = element_text(size=8, face="bold"),
       axis.text.y  = element_text(size=8),
       panel.border = element_rect(linetype = "solid"),
       panel.grid.major = element_line(colour = "gray55",linetype = "dashed"),
       panel.grid.minor = element_line(colour = "gray75",linetype = "dashed")) 
graphique = graphique + stat_smooth(method = "loess",fill=CouleurLiss,color=CouleurLiss)
  return(graphique)
}
Production_Graphique_VI_1 = function(df, Titre_General, Axe_Abscisses, Titre_Abscisses, Annee_Observee_Ouv, Annee_Observee_Clo){
  Graph_S = Creation_Graphique(df, Annee_Observee_Ouv, Annee_Observee_Clo, "Effectif.S", Axe_Abscisses, "Tx.Admis.Etab.S", Titre_Abscisses, "Taux d'admission (%)", "dodgerblue3","dodgerblue4","Série S")
  Graph_ES = Creation_Graphique(df, Annee_Observee_Ouv, Annee_Observee_Clo, "Effectif.ES", Axe_Abscisses, "Tx.Admis.Etab.ES", Titre_Abscisses, "Taux d'admission (%)","darkorange2","darkorange3","Série ES")
  Graph_L = Creation_Graphique(df, Annee_Observee_Ouv, Annee_Observee_Clo, "Effectif.L", Axe_Abscisses, "Tx.Admis.Etab.L", Titre_Abscisses, "Taux d'admission (%)", "chartreuse4","darkgreen","Série L")
  Graph_TS = Creation_Graphique(df, Annee_Observee_Ouv, Annee_Observee_Clo, "Effectif.Etab", Axe_Abscisses, "Tx.Admis.Etab", Titre_Abscisses, "Taux d'admission (%)", "indianred1","red4","Toutes séries")
  p = plot_grid(Graph_S, Graph_ES, Graph_L, Graph_TS, ncol = 2, nrow = 2,align = 'hv',
  scale = c(0.95, 0.95, 0.95, 0.95),vjust = 0.9, hjust=-0.5)
  titre <- ggdraw() + draw_label(Titre_General,fontface="bold", size=10)
  plot_grid(titre, p, ncol = 1, rel_heights=c(.25,5))
}

On note ici

df_lycee <- sp_lycee_WGS84@data

et on peut faire un premier graphique, avec le taux de chomage

Production_Graphique_VI_1(df              = df_lycee,
                          Titre_General   = "Taux d'admission par série en fonction du taux de chômage \n dans la population active - Tous lycées confondus",
                          Axe_Abscisses   = "TxChomage",
                          Titre_Abscisses = "Taux de chômage dans la population active (%)",
                          Annee_Observee_Ouv     = "2013",
                          Annee_Observee_Clo     = "2015")

On ne va pas enfoncer les portes ouvertes de l’inference ecologique, en affirmant des choses aussi stupides que “on a moins de chances d’avoir le bac quand on est au chômage”. Mais on peut noter que dans les zones avec un fort taux de chômage, les résultats au bac sont moins bons.

On peut ensuite regarder en fonction du revenu de la commune du lycée

Production_Graphique_VI_1(df                     = df_lycee,
                          Titre_General          = "Taux d'admission par série en fonction du niveau des revenus disponibles médians - Tous lycées confondus",
                          Axe_Abscisses          = "RevenusMedians",
                          Titre_Abscisses        = "Quantile du niveau des revenus disponibles médians (%)",
                          Annee_Observee_Ouv     = "2013",
                          Annee_Observee_Clo     = "2015")

Fascinant, non ? Mais c’est clairement juste une première approche… il faudrait aller plus loin ensuite !

Scraper, ou pas ?

Ce matin, je mettais en ligne un billet scraper la base d’incendies de forêts expliquant comment scraper la base Promethee, en remplaçant automatique une formulaire. Dans la soirée, sur Twitter me faisait remarquer que c’était intéressant, mais peut être inutile (sur cet exemple particulier en tous cas).

Sur Firefox, il existe un “Moniteur Réseau“, qui s’ouvre en cliquant sur le clavier CtrlMaj + E ( CommandOption + E quand on est est sur un Mac). Ça ouvre un espace en bas de la fenêtre

Si maintenant je lance a la main ma requête, on voit ce qui est fait

Une methode GET apparait. En cliquant dessus, on a toute l’information nécessaire a droite

Dans l’onglet ‘Reponse’, on voit l’information sur le fichier json créé,

on a plus d’information bien entendu, si on agrandit

et surtout si on va dans l’onglet ‘En-tetes’

on a l’URL complet de la requête ! On peut ensuite copier le lien, et l’ouvrir

On a ainsi a accès a presque toute la table. Quand on regarde l’URL, seuls 20 incendies sont renvoyés, a cause du &nbrLigne=20& mais on peut tenter de le changer. propose de mettre &nbrLigne=10000& et il affirmait que ça marchait. J’avoue avoir essayé, sans succès.

Mais je retiens le tuyau en tous cas. Parfois, on peut faire simple !

Visualiser la localisation des dinosaures, grâce aux quaternions…

Allez, un petit billet que je rêve de faire depuis des années, mais je viens enfin de trouver un prétexte, grâce à François de la formation Data Science pour l’Actuariat (à qui je vais emprunter l’application qui va suivre). Il y a plusieurs années, j’avais évoqué dans un billet les difficultés de travailler sur les données spatiales, surtout quand on est au pole. Le pole est un point de singularité dans la représentation classique (latitude, longitude) de la sphère. A l’époque, j’avais propose un bricolage simpliste (mettre les points de singularité dans un coin), mais il y a plus propre, à l’aide des quaternions d’Hamilton. Pour les présenter rapidement, et le lien avec les données spatiales, sur le globe terrestre, je vais reprendre la page wikipedia qui explique de manière incroyablement claire l’idée générale, et plus particulièrement les liens des quaternions avec les rotations (qui servent de base dans la représentation de la sphère qu’est le globe terrestre).

Chaque rotation en dimension trois consiste à tourner d’un certain angle \alpha autour d’un certain axe \vec{v}. Pour un angle petit mais non nul (s’il est nul, on parle de rotation identité), l’ensemble des rotations possibles est une petite sphère entourant la rotation identité, où chaque point de la sphère représente un axe pointant dans une direction particulière. Des rotations d’angles de plus en plus grands s’éloignent progressivement de la rotation identité. Aussi, au voisinage de la rotation identité, l’espace abstrait des rotations ressemble à l’espace ordinaire en trois dimensions (qui peut également être vu comme un point central entouré de sphères de différents rayons).

On peut assimiler les différentes directions à partir du pôle (c’est-à-dire les différents méridiens) aux différents axes de rotations et les différentes distances au pôle Nord aux différents angles : on a ainsi une analogie de l’espace des rotations. Mais la surface de la sphère est en deux dimensions alors que les axes de rotation utilisent déjà trois dimensions. L’espace des rotations est donc modélisé par une sphère de dimension 3 dans un espace à 4 dimensions (une hypersphère). Il faut alors penser la sphère ordinaire comme à une section de l’hypersphère (de la même façon qu’un cercle est une section de sphère). On peut prendre la section pour représenter, par exemple, uniquement les rotations d’axes dans le plan xy. Et on peut légitimement penser maintenant aux rotations comme à des points de la sphère en dimension 4.

Bon, rentrons dans les détails. On paramètre la surface d’une sphère à l’aide de deux coordonnées, comme la latitude et la longitude. Mais cela pose des soucis importants aux pôles (comme je l’avais note dans un ancien billet). Le théorème de la boule chevelue montre en fait qu’il n’existe aucun système de coordonnées à deux paramètres  évitant cette dégénérescence. On va donc plonger la sphère dans l’espace à trois dimensions, en la paramétrant a l’aide de trois coordonnées cartésiennes (ici wx et y). Par convention, on place le pôle Nord à (w,y,z) = (1, 0, 0), le pôle Sud à (w,y,z) = (-1, 0, 0) et l’équateur sera le cercle d’équations w = 0 et x^2+y^2=1. Un point (w,x,y) de la sphère représente une rotation de l’espace ordinaire autour de l’axe horizontal dirigé par le vecteur {\displaystyle {\vec {v}}={\begin{pmatrix}x\\y\\0\end{pmatrix}}} et d’angle {\displaystyle \alpha =2\cos ^{-1}w=2\sin ^{-1}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}
C’est l’idée générale.

Pour parler un peu des quaternions, pour rappel, un plan en dimension 2 peut être paramétré en utilisant les nombres complexes, en introduisant un symbole abstrait \mathbf {i} qui vérifie la règle \mathbf {i}^2=-1. On peut faire la meme chose en dimension 4, en introduisant des symboles abstraits \mathbf {i}, \mathbf {j} et \mathbf {k}. La partie imaginaire {\displaystyle b\mathbf {i} +c\mathbf {j} +d\mathbf {k} } d’un quaternion se comporte comme un vecteur {\displaystyle {\vec {v}}={\begin{pmatrix}b\\c\\d\end{pmatrix}}} d’un espace vectoriel à trois dimensions.

Définissons le quaternion {\displaystyle \mathbf {q}=w+x\mathbf {i} +y\mathbf {j} +z\mathbf {k} =\cos(\alpha /2)+\frac{\vec {v}}{\|v\|}\sin(\alpha /2)} ou bien {\displaystyle \mathbf {q}=w+x\mathbf {i} +y\mathbf {j} +z\mathbf {k} =\cos(\alpha /2)+{\vec {u}}\sin(\alpha /2)} {\displaystyle {\vec {u}}} est un vecteur unitaire. Soit également {\displaystyle {\vec {v}}} un vecteur ordinaire de l’espace en 3 dimensions, considéré comme un quaternion avec une coordonnée réelle nulle. On pourrait que le produit de quaternions{\displaystyle \mathbf{q}{\vec {\nu}}\mathbf{q}^{-1}} renverrait le vecteur {\displaystyle {\vec {\nu}}} tourné d’un angle {\displaystyle \alpha } autour de l’axe dirigé par {\displaystyle {\vec {u}}} . Et c’est effectivement ce qui se passe. Cette opération est connue comme la conjugaison par \mathbf {q}.

Aussi, la multiplication de quaternions correspond à la composition de rotations, car si \mathbf {p} et \mathbf {q} sont des quaternions représentant des rotations, alors la rotation (conjugaison) par \mathbf {pq} est{\displaystyle \mathbf{pq}q{\vec {\nu}}(\mathbf{pq})^{-1}=\mathbf{pq}{\vec {\nu}}\mathbf{q}^{-1}\mathbf{p}^{-1}=\mathbf{p}(\mathbf{q}{\vec {\nu}}\mathbf{q}^{-1})\mathbf{p}^{-1}} ce qui revient à tourner (conjuguer) par \mathbf {q}, puis par \mathbf {p}.

Le quaternion inverse d’une rotation correspond à la rotation inverse, car {\displaystyle q^{-1}(q{\vec {v}}q^{-1})q={\vec {v}}} . Et assez naturellement, le carré d’un quaternion – noté \mathbf {q}^2 – correspond à la rotation de deux fois le même angle autour du même axe. Plus généralement, \mathbf {q}^{ {n}} correspond à une rotation de {n} fois l’angle autour du même axe que \mathbf {q}. Par convention, on peut considérer un réel arbitraire {r}, ce qui permet de calculer des rotations intermédiaires de façon fluide entre des rotations de l’espace.

Un petit exemple. Considérons la rotation f autour de l’axe dirigé par {\displaystyle {\vec {v}}=\mathbf {i} +\mathbf {j} +\mathbf {k} } et d’angle 120°, soit 2\pi/3.

La norme de {\displaystyle {\vec {v}}} est \sqrt{3} , le demi-angle est \pi/3 (ou 60°), le cosinus de ce demi-angle est 1/2, et le sinus est \sqrt{3}/2. Nous devons donc conjuguer avec le quaternion unitaire  {\displaystyle \mathbf{q}=\cos {\frac {\pi }{3}}+\sin {\frac {\pi }{3}}\cdot {\frac {1}{\sqrt {3}}}{\vec {v}}} soit \mathbf{q}={\frac {1}{2}}+{\frac {\sqrt {3}}{2}}\cdot {\frac {1}{\sqrt {3}}}{\vec {v}}={\frac {1}{2}}+{\frac {\sqrt {3}}{2}}\cdot {\frac {\mathbf {i} +\mathbf {j} +\mathbf {k} }{\sqrt {3}}} qui peut finalement s’écrire simplement{\frac {1+\mathbf {i} +\mathbf {j} +\mathbf {k} }{2}}

Si f est la fonction de rotation,{\displaystyle f(a\mathbf {i} +b\mathbf {j} +c\mathbf {k} )=\mathbf{q}(a\mathbf {i} +b\mathbf {j} +c\mathbf {k} )\mathbf{q}^{-1}}

On peut prouver que l’on obtient l’inverse d’un quaternion unitaire simplement en changeant le signe de ses coordonnées imaginaires. Autrement dit{\displaystyle \mathbf{q}^{-1}={\frac {1-\mathbf {i} -\mathbf {j} -\mathbf {k} }{2}}} et donc f(a\mathbf {i} +b\mathbf {j} +c\mathbf {k} ) s’ecrit {\displaystyle {\frac {1+\mathbf {i} +\mathbf {j} +\mathbf {k} }{2}}(a\mathbf {i} +b\mathbf {j} +c\mathbf {k} ){\frac {1-\mathbf {i} -\mathbf {j} -\mathbf {k} }{2}}} En appliquant les règles ordinaires de calcul avec les quaternions, on obtient {\displaystyle f(a\mathbf {i} +b\mathbf {j} +c\mathbf {k} )=c\mathbf {i} +a\mathbf {j} +b\mathbf {k} } Ah oui, et de la même manière qu’on peut associer une matrice 2\times2 à un nombre complexez=a+b\mathbf{i} ~\rightarrow~\begin{pmatrix}a&-b\\b&a\end{pmatrix} on peut associer une matrice 4\times4 à un quaternion\mathbf{q}=a+b\mathbf{i}+c\mathbf{j}+d\mathbf{k} ~\rightarrow~\begin{pmatrix}\quad a&\quad -b&\quad -c&\quad -d\\\quad b&\quad a&\quad -d&\quad c\\\quad c&\quad d&\quad a&\quad -b\\\quad d&\quad -c&\quad b&\quad a\end{pmatrix} (on peut aussi passer par unE matrice 2\times2 à coefficients complexes, mais ça ne servirait qu’à compliquer, ici).

On a vu qu’on pouvait associer une rotation à un quaternion, et un quaternion à une matrice. Si la rotation est d’axe \vec {OM}, où O est le centre de la terre, et M un point sur la surface terrestre, décrit par sa latitude et sa longitude, avec pour angle \alpha (comme décrit dans un billet sur stackoverflow), on a la fonction R suivante

quat = function(lat,long,ang=NA){
  n = length(lat)
  lat = lat/180*pi
  long = long/180*pi
  x = cos(lat) * cos(long)
  y = cos(lat) * sin(long)
  z = sin(lat)
  if (is.na(ang)){
    Q = matrix(c(x,y,z,rep(0,n)), ncol = 4)
  } else {
    Q = matrix(c(sin(ang/2*pi/180) * c(x,y,z), cos(ang/2*pi/180)), ncol =4)
  }
  return(Q)
}

avec la réciproque, permettant de passer d’un quaternion à une rotation, avec une description de l’axe comme auparavant (un point sur la sphère – sur le globe terrestre) et un angle (coordonnées polaires)

polaire = function(Q, digits=2) {
Q = Q/norme(Q)
ang = round(acos(Q[4])*2*180/pi,digits)
n = norme(Q[1:3])
x = Q[1]/n
y = Q[2]/n
z = Q[3]/n
lat = asin(z) * 180/pi
if (z**2 == 1){
long = 0
}  
else {
phi = (x+1i*y)/sqrt(1-z**2)
long = Im(log(phi)) * 180/pi 
}
c(lat,long,ang)
}

à condition de définir au préalable la norme du quaternion

norme = function(Q){
  sqrt(sum(Q**2))
}

On peut aussi définir le produits de quaternion (toutes les opérations sont décrites dans la page wikipedia), qui sera noté \otimes par la suite

pdt_quat = function(Q1,Q2){
  Q=rep(0,4)
  Q[1:3]  = Q1[4]*Q2[1:3]+Q2[4]*Q1[1:3]+pdt_vect(Q1[1:3],Q2[1:3])
  Q[4] = Q1[4]*Q2[4] - pdt_scal(Q1[1:3],Q2[1:3])
  return(Q)
}

mais aussi un produit scalaire

pdt_scal = function(M,N){
  return(sum(M*N))
}

un produit vectoriel

pdt_vect = function(M,N){
  return(c(M[2]*N[3]-M[3]*N[2],
           M[3]*N[1]-M[1]*N[3],
           M[1]*N[2]-M[2]*N[1]))
}

et finalement l’inverse du quaternion \mathbf{q}^{-1}

inv_quat = function(Q){
  (c(0,0,0,2*Q[4])-Q)/norme(Q)
}

On peut aussi demander les coordonnées d’un point M' obtenu comme transformation d’un point M par la rotation \mathbf{q}

rotation = function(M, Q){
polaire(pdt_quat(pdt_quat(Q,M),inv_quat(Q)))[1:2]
}

Maintenant, on va pouvoir passer aux choses sérieuses….

Je l’ai évoqué en introduction, les quaternions peuvent permettre de contourner certains problèmes, comme manipuler des objets (comme la calotte glaciaire) qui sont situés autour du pole (qui est un point de singularité dans la représentation par coordonnées polaires). Une autre application, présentée par François, est celle du déplacement des plaques tectoniques. En particulier, on peut utiliser un fichier de rotations des plaques tectoniques entre aujourd’hui et une certaine date dans le passé (cette idée se retrouve dans le projet gplates programmé avec des librairies python). Ou plus généralement entre deux dates, t_1 et t_2. Le fichier a notre disposition contient ainsi des quaternions \mathbf{q}^{P_0}_{t,P} pour une date t et une plaque P (défini comme un polygone décrit par une collection de latitudes et de longitudes), ou le deplacement de la plaque est décrit relativement a la plaque P_0. Pour des soucis de calculs, on va supposer qu’on peut interpoler linéairement les quaternions,\mathbf{q}^{P_0}_{t,P}=(1-\lambda)\mathbf{q}^{P_0}_{t_1,P}+\lambda\mathbf{q}^{P_0}_{t_2,P}avec\lambda=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}et que récursivement, on peut composer les rotations, au sens ou\mathbf{q}^{P_3}_{t,P_1}\mathbf{q}^{P_3}_{t,P_2}\otimes\mathbf{q}^{P_2}_{t,P_1}Aussi, a partir de notre fichier de rotations, on peut creer une fonction qui calcule l’ensemble des quaternions de rotation, pour les plaques plates données. A priori un quaternion \mathbf{q}^{P_0}_{t,P} ne sera calculé qu’une fois

projecteur = function(t,plates,rot){
  ll = length(plates)
  Q0 = matrix(rep(0,4),ll,4)
  for (i in seq(ll)){ 
    cur_plate = i
    Q = c(0,0,0,1)
    while(cur_plate > 0){
  df = rot[rot$Start = t & rot$plate == plates[cur_plate],]
  if (dim(df)[1] > 0) {
  Q1 = Q0[cur_plate,]
  cur_plate = 0 
  if (norme(Q1)==0){
  Q_St = quat(df$lat_St, df$lon_St, df$ang_St)
  Q_End = quat(df$lat_End, df$lon_End, df$ang_End)
  periode = df$End - df$Start
  pct = 0
  if (periode > 0) pct = min(max(0,(t - df$Start)/periode),1)
  Q1 = Q_St + pct * (Q_End - Q_St)
  cur_plate = which(plates==df$anchor)
  if (length(cur_plate) == 0) cur_plate = 0
  } 
  Q = pdt_quat(Q1,Q)
  } else {cur_plate = 0}
  }    
  Q0[i,] = Q
  }
  return(Q0)
}

On peut maintenant appliquer ces outils a des données. Ici, trois bases issues du site http://paleobiodb.org seront exploitées, pour visualiser ou les dinosaures vivaient :
– une base des collections recensant les sites de fouilles (et en particulier leur géolocalisation)
– une base d’occurrences recensant les spécimens trouvés, par collection
– une base des spécimens décrivant les spécimens de dinosaures.

site="http://paleobiodb.org/data1.2/"
req=".txt?datainfo&rowcount&max_ma=999&min_ma=0"
limit = "" #"&limit=100"
names = c("colls/list", "occs/taxa", "occs/list")
destfile = rep('',length(names))
for (i in 1:length(names)) {
  destfile[i] = paste0("data/",sub("/","_",names[i]),".csv")
  download.file(paste0(site,names[i],req,limit),destfile=destfile[i])
}

Pour les données de collection

collection = read.csv(destfile[1],skip=17,sep = ",", header = TRUE)
coll = select(collection, c(collection_no, lng, lat, max_ma, min_ma))
remove(collection)
names(coll) = c('no', 'lng', 'lat', 'max_ma', 'min_ma')

et pour les données d’occurrence

occurence = read.csv(destfile[3],skip=17, sep = ",", header = TRUE)
occ = select(occurence, c(occurrence_no, collection_no, accepted_no))
remove(occurence)
names(occ) = c('no', 'coll_no', 'taxo_no')

Les espèces que nous étudierons ici sont les dinosaures de l’ordre des Ornithischia et des Saurischia (qui incluent les grandes familles classiques de dinosaures – a ce que j’ai pu comprendre)

 taxonomie = read.csv(destfile[2],sep = ",", skip=20, header = TRUE)
    taxo = select(taxonomie,c(orig_no, accepted_rank, accepted_name, parent_no, container_no))
    remove(taxonomie)
    names(taxo) = c('N0', 'rang0', 'nom0', 'parent', 'container')
    taxo = taxo[!is.na(taxo$N0),]
    taxo["N1"]=as.character(taxo$container)
    taxo[taxo$container=='',]$N1 = as.character(taxo[taxo$container=='',]$parent)
    taxo$container = as.factor(taxo$container)
    taxo$parent = NULL
    taxo$container = NULL
    t0 = taxo
    i = 0
    while(dim(taxo[!is.na(taxo[paste0("N",i)]),])[1] > 0){
      i = i+1
      colnames(t0) = c(paste0('N',i),paste0('rang',i), paste0('nom',i), paste0('N',i+1))
      taxo = merge(taxo,t0,all.x=TRUE)
      if (i==10) break
    }
    t1 = select(taxo,N0)
    for (niveau in levels(taxo$rang0)){
      if (niveau != ""){
        t1[niveau]=""
        for (j in seq(0,i)){
          test = which(taxo[paste0("rang",j)]==niveau) 
          t1[test,niveau] = as.character(taxo[test,paste0("nom",j)])
        }  
      }
    }
    taxo=t1[t1["unranked clade"%in%c("Ornithischia","Saurischia")],]
    head(taxo,5)

On peut alors fusionner nos bases

M1 = merge(occ,taxo, by.x=c('taxo_no'),by.y=c('N0'), all=FALSE)
M2 = merge(M1,coll,by.x=c('coll_no'),by.y=c('no'), all.x=TRUE)
paste(dim(M2)[1], "specimens étudiés")

ce qui donne 9771 spécimens

head(M2,5)
coll_no taxo_no     no class           family             genus
1    5195   55999 373398           Nodosauridae      Pawpawsaurus
2   10755   55580 130209       Chaoyangsauridae    Chaoyangsaurus 
3   10760   38561 144305        Dromaeosauridae                  
4   10764   66066 130295        Caudipterygidae       Caudipteryx
5   10764   66068 130294                        Protarchaeopteryx
  infraclass kingdom        order   phylum                   species
1                                 Chordata    Pawpawsaurus campbelli
2                                 Chordata     Chaoyangsaurus youngi
3                    Avetheropoda Chordata                          
4                    Avetheropoda Chordata          Caudipteryx zoui
5                    Avetheropoda Chordata Protarchaeopteryx robusta
  subclass subfamily subgenus suborder subspecies superclass superfamily
1                                                                       
2                                                                       
3                                                                       
4                                                                       
5                                                                       
  superphylum tribe unranked clade      lng      lat max_ma min_ma
1                     Ornithischia -97.3000 32.86667  105.3  99.60
2                     Ornithischia 123.9667 42.93330  150.8 132.90
3                       Saurischia  21.0500 46.11667   70.6  66.00
4                       Saurischia 120.7333 41.80000  130.0 122.46
5                       Saurischia 120.7333 41.80000  130.0 122.46

Voila pour les dinosaures. On peut maintenant chercher des informations sur les plaques tectoniques,

chemin = "data/Shapefile"
download.file('https://www.earthbyte.org/webdav/ftp/earthbyte/GPlates/SampleData_GPlates2.0/Individual/FeatureCollections/Coastlines.zip', 'data/coastlines.zip')
coast_file = 'Matthews_etal_GPC_2016_Coastlines'
unzip(zipfile='data/coastlines.zip', exdir= chemin, junkpaths = TRUE)
continents = readOGR(dsn=chemin,layer=coast_file,verbose=TRUE)

Matthews et al. (2016) a mis en ligne un fichier de rotations simulant la dérive des plaques

download.file('https://www.earthbyte.org/webdav/ftp/earthbyte/GPlates/SampleData_GPlates2.0/Individual/FeatureCollections/Rotations.zip', 'data/rot.zip')
rot_file = 'Matthews_etal_GPC_2016_410-0Ma_GK07.rot'
unzip(zipfile='data/rot.zip', files = c(paste0('Rotations/',rot_file)), exdir= 'data', junkpaths = TRUE)
rot = paste0("data/",rot_file)

On va corriger quelques anomalies

x = readLines(rot)
y = gsub( "!101 !", "!", x )
cat(y, file=rot, sep="\n")
remove(x,y)

et on charge les données en mémoire (pour faire ensuite notre visualisation)

rot_file2 = read.csv(file=rot,header=FALSE,sep='', comment.char = '!')
ll = dim(rot_file2)[1]
rot_file3 = cbind(rot_file2[1:ll-1,],rot_file2[2:ll,])
names(rot_file3) = c('plate','Start','lat_St', 'lon_St', 'ang_St', 'anchor','plate2','End','lat_End', 'lon_End', 'ang_End', 'anchor2') 
rot_file = rot_file3[rot_file3$plate==rot_file3$plate2,]
rot_file$plate2 = NULL
rot_file$anchor2 = NULL
PLATES = sort(unique(rot_file$plate))

On ne va garder que les dinosaures qui peuvent etre rattaches à une plaque tectonique

X = M2%>%select(lng, lat)
Y = SpatialPoints(X,proj4string = continents@proj4string)
plaques = over(Y,continents)$PLATEID1
filtre = which(!is.na(plaques))
X0       = X[filtre,]
NBX = dim(X0)[1]
print(paste0(NBX, " spécimens retenus"))

ce qui laisse quand même 9617 spécimens

PERIOD = M2%>%select(max_ma, min_ma)
PERIOD  = PERIOD[filtre,]
plaques = plaques[filtre]
plaque_id = rep(0,NBX)
for (j in seq(1,NBX)){
    plaque_id[j]=which(PLATES==plaques[j])
}
dataX = M2[filtre,]
dataX["plaques"] = plaques

On y est presque… on va maintenant remonter de -250 millions d’annees a aujourd’hui, en faisant des bonds de 10 millions d’annees

TMAX = 250
TMIN = 0
PAS = 10

Pour toutes ces dates, on calcule les quaternions

ROT = array(rep(0,4),c(TMAX/PAS,length(PLATES),4))
for (t in seq(1,TMAX/PAS)){
  ROT[t,,] = projecteur(t*PAS, PLATES, rot_file)
}
QM = list()
plaque=list()
xy = list()
ll = length(continents@polygons)
for (i in seq(1,ll)){
  M = continents@polygons[[i]]@Polygons[[1]]@coords
  xy[[i]] = M
  QM[[i]] = quat(M[,2],M[,1])
  plaque[[i]] = which(PLATES==continents$PLATEID1[i])
}
QX = quat(X0[,2],X0[,1])

On va ensuite projeter

projete=list()
Xt = list()
X = X0
cpt = 0
for (TIME in seq(TMAX,TMIN,-PAS)){
  # setTxtProgressBar(pb, -TIME)
  cpt = cpt+1
  projete[[cpt]] = continents
  Xt[[cpt]] = X0
  if (TIME > 0 ) {
    for (i in seq(1,ll)){
      M = xy[[i]]
      for (j in seq(1,dim(M)[1])){
        M[j,] = rev(rotation(QM[[i]][j,],ROT[TIME/PAS,plaque[[i]],]))
      }
      inf_180 = which(M[,1] < -90); inf_180_ = length(inf_180)
      sup_180 = which(M[,1] > 90); sup_180_ = length(sup_180)
      if (inf_180_ > 0 & sup_180_ > 0) {
        if(sup_180_>inf_180_) {
          M[inf_180,] = t(t(M[inf_180,]) + c(360,0))
        } else { M[sup_180,] = t(t(M[sup_180,]) - c(360,0))}
      } 
      projete[[cpt]]@polygons[[i]]@Polygons[[1]]@coords = M
    }
 
    # setTxtProgressBar(pb, -TIME + PAS/2)
    for (j in seq(1,NBX)){
      if (PERIOD$max_ma[j] > TIME & PERIOD$min_ma[j] <= TIME){
        X[j,] = rev(rotation(QX[j,],ROT[TIME/PAS,plaque_id[j],]))
      } else{
        X[j,] = c(NA, NA)
      }
    }
    filtre = which(!is.na(X$lng))
    if (length(filtre) > 0){
      Xt[[cpt]]=SpatialPointsDataFrame(coords = X[filtre,], data = dataX[filtre,])  
    } else {
      Xt[[cpt]]=X
    }
  }
}

On peut faire en première carte, 70 millions d’années avant notre ere

t = 1 + (TMAX-70)/PAS
leaflet(options = leafletOptions(minZoom = 1)) %>%  
  addPolygons(data=projete[[t]], weight=2) %>% 
  addMarkers(data = Xt[[t]], 
             popup = ~paste(sep = "
", paste("espèce :", Xt[[t]]$species),
                            paste("genre :", Xt[[t]]$genus),
                            paste("famille :", Xt[[t]]$family),
                            paste("ordre : ", Xt[[t]]["unranked clade",]) ),
             icon = dinoIcon)

Je mets ici une copie d’écran du leaflet ainsi créé

(l’idée est qu’on peut zoomer, ce qui rend l’analyse plus interactive)

Mais on peut aussi aller 200 millions d’années avant notre ere

t = 1 + (TMAX-200)/PAS
leaflet(options = leafletOptions(minZoom = 1)) %>%  
  addPolygons(data=projete[[t]], weight=2) %>% 
  addMarkers(data = Xt[[t]], 
             popup = ~paste(sep = "
", paste("espèce :", Xt[[t]]$species),
                            paste("genre :", Xt[[t]]$genus),
                            paste("famille :", Xt[[t]]$family),
                            paste("ordre : ", Xt[[t]]["unranked clade",]) ),
             icon = dinoIcon)

Amusant, non ? en tout cas, merci François pour cette jolie application des quaternions ! Et merci d’avoir suggéré d’utiliser autre chose que des points rouges sur une carte !

dinoIcon = makeIcon(iconUrl = "https://www.ludeek.com/wp-content/uploads/2015/03/uploadfsdfsdf1426350179.1426350368774.png",
                    iconWidth = 30, iconHeight = 50,
                    iconAnchorX = 15, iconAnchorY = 25)