评估变量贡献度及模型预测——利用随机森林模型或广义线性模型

参考资料:
随机森林(2)R实战][https://www.yuque.com/biotrainee/biostat/chapter3-24]
优雅R 微信公众号:https://mp.weixin.qq.com/s/fHDxqOOTW2CbKbSDVOD0bg

关于决策树及随机森林模型的理论基础可以参考优雅R 微信公众号文章:https://mp.weixin.qq.com/s/fHDxqOOTW2CbKbSDVOD0bg

1、数据

> data1
   success_rate body.mass..g..x Migration.distance..km.. Mass...average...g Length...average...mm
1     0.0000000            30.0                   6052.5              36.00                 195.0
2     0.0000000             8.6                     19.8               8.00                 140.0
3     0.9453125          1141.0                   1678.2            1082.00                    NA
4     0.0000000            54.5                   1238.7              57.75                 181.0
5     0.9981481           354.5                      0.0             358.70                    NA
...

success_rate:繁殖的成功率
body.mass:体重
Migration.distance:年迁徙距离
Length:体长

其中包含了NA缺失值
建立模型的意图为:1、计算各变量对模型的贡献度。2、用训练好的模型预测测试集。

2、缺失值处理

(2.1)删除缺失值(2.1或2.2都可,取决于具体样本情况)

> data1<-na.omit(data1)

(2.2)利用随机森林模型预测补全NA值

install.packages("randomForest")
library(randomForest)

data.imputed <- rfImpute(success_rate ~ ., data = data1, iter=10,ntree=500)

使用500棵决策树组成的随机森林进行补全,重复10次。用success_rate来拟合其他所有缺失值。“success_rate ~ .”中的“.”意为所有参数。

3、建立模型

(3.1)广义线性模型(glm()函数)(3.1或3.2择一)

glm_model<-glm(success_rate~ ., data=data.imputed,family=binomial(link = "logit"))

glm()函数是R自带的函数。“success_rate~ .”意为用其他参数作为变量因素来拟合success_rate。family参数为模型的选择,默认为正态分布(高加索分布),其他的选择还有:

binomial(link = "logit")
gaussian(link = "identity")
Gamma(link = "inverse")
inverse.gaussian(link = "1/mu^2")
poisson(link = "log")
quasi(link = "identity", variance = "constant")
quasibinomial(link = "logit")
quasipoisson(link = "log")

结果查看:

> summary(glm_model)

Call:
glm(formula = success_rate ~ ., family = binomial(link = "logit"), 
    data = data.imputed)

Deviance Residuals: 
    Min       1Q   Median       3Q      Max  
-1.5494  -0.9805  -0.4454   0.9659   1.6085  

Coefficients:
                           Estimate Std. Error z value Pr(>|z|)  
(Intercept)              -0.7536342  0.6148484  -1.226   0.2203  
body.mass..g..x           0.0001538  0.0004608   0.334   0.7385  
Migration.distance..km.. -0.0003455  0.0001704  -2.028   0.0426 *
Mass...average...g       -0.0002686  0.0004168  -0.644   0.5193  
Length...average...mm     0.0026700  0.0018083   1.477   0.1398  
---
Signif. codes:  0 ‘***’ 0.001 ‘**’ 0.01 ‘*’ 0.05 ‘.’ 0.1 ‘ ’ 1

(Dispersion parameter for binomial family taken to be 1)

    Null deviance: 97.757  on 89  degrees of freedom
Residual deviance: 88.492  on 85  degrees of freedom
AIC: 123.9

Number of Fisher Scoring iterations: 4

Estimate表示模型中各参数的系数,正负值即为相关性的正负,绝对值大小代表对模型的贡献程度。Pr(>|z|) 显示了因素对模型的影响是否显著,一般来说应该保留显著的,去掉不显著的因素,重新跑模型(这里只Migration.distance有一个显著的,就不继续做了)。

(3.2)随机森林模型

library(randomForest)
model_rf <- randomForest(success_rate ~ ., data=data.imputed,ntree=600)

model_rf 为训练好的模型

plot(model_rf)

绘制标准差变化图,可以看到随着决策树计算的个数增多,标准差下降到稳定值。


标准差变化图

查看因素重要性并绘图

> model_rf$importance
                         IncNodePurity
body.mass..g..x               3.868491
Migration.distance..km..      3.640498
Mass...average...g            4.019628
Length...average...mm         3.728895
#IncNodePurity越高,表明Gini值越低,因素贡献率越高

> varImpPlot(model_rf)
因素重要性图

用模型预测测试集:
假设有一个预测集testset,数据结构与data1相同,通过model_rf预测相关参数:

model.prediction <- predict(model.rf, testset)

此外,随机森林还可以用于利用SNPs预测杂交categories等等。需要注意,如果是非连续变量,需要转化为因子进行分析。

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