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2012/10/10

文系のための「重回帰分析のモデル」

重回帰分析の基本的な仕組みを理解したところで、
今度は、実際のデータを用いて重回帰モデルの検討方法を整理する。

今回のデータは、某国の某時代の某地域の「古墳」のデータ。
実際のデータを少し加工し、詳細が特定できないようにマスキング。
考古学的な解釈を避けるための処置。興味がある人は自分のデータで。

とりあえず、Google spreadsheet にデータを置いているので、
インターネット経由で直接データを読み込む。
この作業を行うためには、RCurlというライブラリを読み込む必要がある。

library(RCurl)

ライブラリを読み込めたら、以下のコマンドを実行する。

# Google Spreadsheet からデータをダウンロードする
data <- getURL("https://docs.google.com/spreadsheet/pub?key=0AtOtIs5BjRVhdDdyTmgtNm9DcEVJb3VLbnh3ZFlNb2c&single=true&gid=0&range=A1%3AH295&output=csv")

# ダウンロードしたデータを読み込む
X <- as.data.frame(read.table(textConnection(data), header=TRUE, row.names=1, sep=","))

このデータは、「294」の古墳が「対象」となっている。
属性は、墳長(length)、後円径(bk_radius)、後円高(bk_height)、前方幅(fr_width)、
前方長(fr_length)、前方高(fr_height)、くびれ(constricted)である。

なお、このデータの単位は、全て「メートル」であり、計測値は、10センチ単位まで。
扱うデータの単位を理解しておくことは基本中の基本なのであるが、
単位を無視して分析する人は少なくは無い。

ふむ。どこの国かは、特定できそうな変数であるが...まぁ、それは置いておく。
細かい詮索は無用。とにかく、これは架空のデータとして理解。
ちなみに、かつて、卒業論文研究のために集めたデータを改変したもの。

なお、後の処理のために、今回のデータはマトリクス型では無く、
データフレーム型というデータ型を指定しておく。

まずは、このデータの相関係数行列と偏相関係数行列を確認しておく。
多次元データを扱う際には、最初にデータの全容を掴んでおくことが重要。
やり方は、理解できているハズなので、出力結果のみを表示。

> round(cor(X),3)
            length bk_radius bk_height fr_width fr_length fr_height constricted
length       1.000     0.985     0.933    0.949     0.976     0.873       0.955
bk_radius    0.985     1.000     0.944    0.930     0.939     0.865       0.953
bk_height    0.933     0.944     1.000    0.882     0.887     0.896       0.900
fr_width     0.949     0.930     0.882    1.000     0.956     0.895       0.972
fr_length    0.976     0.939     0.887    0.956     1.000     0.866       0.950
fr_height    0.873     0.865     0.896    0.895     0.866     1.000       0.872
constricted  0.955     0.953     0.900    0.972     0.950     0.872       1.000

小数点以下の桁数が多すぎるので、小数点第三位までで丸め込み。
対象数が294の場合の相関の基準も考えておく。
たしか、相関係数のt検定というのがあった。

# 対象数を変数「n」に格納する。
n <- nrow(X)

# 有意水準1%、5%、10%の場合について検討する
abs(qt((0.01)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.01)/2, n-2)^2))
abs(qt((0.05)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.05)/2, n-2)^2))
abs(qt((0.10)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.10)/2, n-2)^2))

以下が実行結果。

> # 有意水準1%、5%、10%の場合について検討する
> abs(qt((0.01)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.01)/2, n-2)^2))
[1] 0.1500135
> abs(qt((0.05)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.05)/2, n-2)^2))
[1] 0.1144192
> abs(qt((0.10)/2, n-2)/sqrt(n-2+qt((0.10)/2, n-2)^2))
[1] 0.09611705

以上の結果から、有意水準1%で見ても、相関係数が「0.16」以上であれば、
相関があると行っても構わない。相関係数行列を見てみると、
どの値もこの水準よりも遥かに高い。したがって、全ての組合せには相関がある。

この状態では見難いかもしれない。ついでに、散布図行列も出しておく。
# 「凝った」散布図行列を作るためにライブラリ「psych」を使う
library(psych)
pairs.panels(X, smooth=FALSE, density=FALSE, ellipses=FALSE, scale=TRUE)

なるほど。散布図行列を見てみても、なんらかの関係があるように見える。
ひょっとしたら、見せかけの相関が潜んでいるかもしれない。
ということで、次に、偏相関係数行列も計算しておく。

> library(corpcor)
> round(cor2pcor(cor(X)),3)
       [,1]   [,2]   [,3]   [,4]   [,5]   [,6]   [,7]
[1,]  1.000  0.835  0.113  0.131  0.816 -0.078 -0.298
[2,]  0.835  1.000  0.249 -0.124 -0.586 -0.045  0.444
[3,]  0.113  0.249  1.000 -0.200 -0.103  0.540  0.073
[4,]  0.131 -0.124 -0.200  1.000  0.129  0.415  0.654
[5,]  0.816 -0.586 -0.103  0.129  1.000  0.068  0.270
[6,] -0.078 -0.045  0.540  0.415  0.068  1.000 -0.134
[7,] -0.298  0.444  0.073  0.654  0.270 -0.134  1.000

Rの偏相関係数行列は、ライブラリ「corpcor」が必要であり、
cor2pcor()関数は、相関係数行列の結果を使って、
偏相関係数を計算するのであった。ラベルは、相関係数行列と同じ。

偏相関を見てみると、墳長と後円径、墳長と前方長の関係が際立って高い。
さて、この偏相関係数の値は、後に重要となるのであるが、
今は、深く踏み込まず、実際に重回帰分析の方法を整理する。

さて、このデータを用いて重回帰モデルを立てるためには、
最初に目的変数を決めなければならないのであるが、
墳長(length) を目的変数とし、その他の変数との関係を調べてみる。

最初にすべきことは、何であったか?そうそう、重回帰係数を求めること。
一応、前回の復習を兼ねて、重回帰モデルの基本形を見てみる。



元のデータのうち、一つの変数が目的変数となり、
切片を計算するために、先頭に「1」が並んだ列が入っている。
このような行列を連立方程式に見たてて解いてやると重回帰係数が出てくるはず。

連立方程式を解くためには、逆行列が必要となるが、
残念ながら逆行列は正方行列にしか使えない。どうれば良かったか?
たしか、擬逆行列を用いるのであった。

二つの方法を紹介したが、ここでは特異値分解を使う。
既に述べたようにn✕p行列とp✕n行列では解き方が異なる。
そのような場合でも、特異値分解を用いれば擬逆行列が計算できる。

重回帰分析を実行できるソフトによっては、変数の数が対象数よりも多い場合に、
デタラメな結果を表示することもあるらしい。注意が必要である。
擬逆行列と重回帰分析の仕組みを知っていれば解ることであるが...。

いずれにせよ、対象数よりも変数の方が多いようなデータに対して、
いわゆる「多変量解析」を行うのは危険極まりないのである。
上記の意味が解らない人は、もう一度、擬逆行列の話を参照すること。

さてさて、特異値分解を用いた方法はどのような方法であったか?
これも、もう一度確認しておくことにする。



Rには、特異値分解を行うためのsvd()関数がある。
この関数を覚えておくと主成分分析など他の分析でも役立つ。

少々、話が逸れてしまったが、上記のことを確認した上で、
実際に、以下の手順で重回帰係数を求めてみる。

#  念の為に最初のデータの状態を保存しておく。
O <- X

# 目的変数を元の行列から分離する
y <- X[, 1]
X <- as.matrix(X[, -1])

# 切片の計算のために先頭行を「1」の行列を付け加える。
Intercept <- matrix(rep(1, nrow(X)), ncol=1)
X <- cbind(Intercept, X)

# 特異値分解を行う
X.svd <- svd(X)
X.svd.v <- X.svd$v
X.svd.d <- diag(X.svd$d)
X.svd.u <- X.svd$u

# 重回帰係数を求める

# 特異値分解を行う
X.svd <- svd(X)
X.svd.v <- X.svd$v
X.svd.d <- diag(X.svd$d)
X.svd.u <- X.svd$u

# 重回帰係数を求める
X.lm.coefficient <- ((X.svd.v %*% solve(X.svd.d)) %*% t(X.svd.u)) %*% y

# 解りやすいように名前を付ける。
rownames(X.lm.coefficient ) <- c("Intercept",colnames( X[,2:ncol(X)]))
colnames(X.lm.coefficient) <- "coefficients"

# 最後に結果を表示する
X.lm.coefficient

実行結果は以下の通り。

> # 最後に結果を表示する
> X.lm.coefficient
            coefficients
Intercept     1.31774995
bk_radius     1.05513862
bk_height     0.41494162
fr_width      0.09120632
fr_length     0.90234517
fr_height    -0.23795594
constricted  -0.33198797

これでめでたく重回帰係数が求まったはずだが...本当に計算できているのか?
Rにおける重回帰分析を行うための関数は、単回帰と同じ。
どのような関数であったか?頑張って思い出してみる。

# Rで重回帰分析を行なってみる。
lm(formula=length~bk_radius+bk_height+fr_width+fr_length+fr_height+constricted, data=O)

実は、単回帰の話で用いたlm()関数で良い。
すでに、Xのデータは、元のデータと変わってしまっているので、
ここでは、元のデータをコピーである行列「O」を用いている。

lm()関数では、少々、見慣れない形でデータが指定されている。
まず、パラメータ「formula」をモデル式と呼び、ここでモデルを定義し、
実際のデータをパラメータ「data」で指定する。

この場合は、「〜」を挟んで右側が目的変数であり、左側が説明変数となる。
今回は、全ての変数を使っているが、使う変数をここで決めることができる。
なお、全ての変数を使う場合には、次のようにも指定できる。

lm(formula=length~., data=O)

もちろん、上記二つの結果は同じになる。
とにかく、実行結果は以下の通り。

> lm(formula=length~., data=O)

Call:
lm(formula = length ~ ., data = O)

Coefficients:
(Intercept)    bk_radius    bk_height     fr_width    fr_length    fr_height  
    1.31775      1.05514      0.41494      0.09121      0.90235     -0.23796  
constricted  
   -0.33199 

重要な部分は、「Coefficients: 」から後の部分。この部分に重回帰係数が並んでいる。
特異値分解を使って解いた場合と結果が同じことを確認できたはず。
重回帰分析の解法を理解できていれば、lm()関数を用いても問題ないだろう。

さて、ここで、重回帰係数の検討に入りたいところであるが、
その前に、もう少し、重回帰モデルそのものについて考えてみたい。

何度も述べているが「回帰」というのは変数間の関係を観察するための方法である。
では、変数間に「全く」関係が無い場合、一体どのようなことになるのか?
ここで、簡単な実験を行なってみる。
# 乱数使って変数間に関係の無いデータを作る
test <- matrix(c(runif(1000),runif(1000)), ncol=2)

# 回帰係数を求める
b0 <- lm(test[,2]~test[,1])$coefficient[1]
b1 <- lm(test[,2]~test[,1])$coefficient[2]

# データをプロットする。
rng <- c(0, 1)
plot(test[,1], test[,2], ylim=rng, xlab="x", ylab="y", pch=16, col="lightblue")
par(new=TRUE)
plot(test[,1], test[,1]*b1+b0, type="l", ylim=rng, xlab="", ylab="", xaxt="n", yaxt="n", col="blue")

# yの平均を表す水平線を引く
abline(h=mean(test[,2]), col="red", lty=2, ltw=2)

さて、この図を見て解るように、関係が無いということは、
傾きは限りなく「0」に近づき、切片のみが反映されていることが解る。

たしか、xの平均値のときにyの平均を通るように調整した際のyの値が
切片であったので、結局は、平均によって説明することと同じなのである。
この状況は、lm()関数のモデル式でも表すことができる。

ここで、もう一度、古墳のデータに戻って確認してみる。

# まずは、行列「O」の「length」の平均値を計算する。
mean(O$length)

# 次に、lm()関数で変数を指定しない場合の係数を確認する。
lm(formula=length~1, data=O)$coefficient

以下がこの実行結果。

> # まずは、行列「O」の「length」の平均値を計算する。
> mean(O$length)
[1] 83.86105
>
> # 次に、lm()関数で変数を指定しない場合の係数を確認する。
> lm(formula=length~1, data=O)$coefficient
(Intercept)
   83.86105

つまり、他の変数との関係を除いてしまえば、平均によって説明することと同じ。
また、作成した回帰モデルが本当に意味があるものであれば、
そのモデルは平均よりも妥当性が高い(説明力が高い)とも言える。

さて、ここからが、今回の話の「本題」である。
いやいや、ここまでの話は、少々長すぎた...かもしれない。

すなわち、重回帰モデルの検討の仕方。ここまでのことが理解できていれば簡単。
とりあえず、重回帰係数の絶対値の大きさと、その符号を観察する。



このモデルの中で、負の符号を取っているのは、前方高とくびれ幅。
したがって、前方高の値が「1メートル」増えると、墳長は「0.238メートル」減り、
同様に、くびれ幅の値が「1メートル」増えると、墳長は「0.332メートル」減る。

逆に、全長が増える場合を考えると、正の係数が最も大きいものが後円径であり、
この値が「1メートル」増えると、墳長は「1.055メートル」増えることになる。
次に値が大きい前方長が「1メートル」増えると、「0.090メートル」墳長は増える。

さて、このモデルでは、小数点第三位まで表しているのであるが、適切であろうか?
元のデータの単位がメートル単位であり、値は10センチ刻みであった。
したがって、ミリ単位というのは細かすぎる。本当は、小数点第二位までで十分。

たまに、コンピュータの出力をそのまま書き出している人がいるが、
計算結果の桁の下の方は、ほとんど計算誤差。
意味のある桁数を理解しておく必要がある。

話が逸れたが、このようにして、ある変数とその他の変数の間の関係を、
それぞれの値の増減によって変化するかを観察するのが重回帰分析である。

ところで、この結果を見て、一種の「違和感」を感じた人もいるかもしれない。
規模の話なので、前方高やくびれ幅が増えると、墳長が減って良いのか?
ここで、もう一度、偏相関係数の結果を見てみる。

> round(cor2pcor(cor(X)),3)
       [,1]   [,2]   [,3]   [,4]   [,5]   [,6]   [,7]
[1,]  1.000  0.835  0.113  0.131  0.816 -0.078 -0.298
[2,]  0.835  1.000  0.249 -0.124 -0.586 -0.045  0.444
[3,]  0.113  0.249  1.000 -0.200 -0.103  0.540  0.073
[4,]  0.131 -0.124 -0.200  1.000  0.129  0.415  0.654
[5,]  0.816 -0.586 -0.103  0.129  1.000  0.068  0.270
[6,] -0.078 -0.045  0.540  0.415  0.068  1.000 -0.134
[7,] -0.298  0.444  0.073  0.654  0.270 -0.134  1.000

実は、変数間の関係性で言うと、特に、前方径の値は限りなく「0」近い。
ひょっとしたら、モデルに加えない方が良いかもしれない。
あるいは、後円高や前方幅もいらないかもしれない。

また、くびれ部に関しては、全体の大きさに対して、
変化の度合いが鈍感で、そのような状況が影響しているかもしれない。
とにかく、何とも言えない状況がある。

では、どうするべきか?

この問題を考えるためには、重回帰係数の妥当性の検討や、
どの変数を選択すべきであるか、という変数選択が必要になる。
ということで、次回は、重回帰係数の妥当性から整理してみることにする。

2012/09/07

文系のための「主成分分析の可視化」(1)

前回までは、主成分分析の仕組みについて整理してきた。
主成分分析というのは、分散共分散行列と相関係数行列と深い関係があって、
これらの見通しをより良くするために、ある種の変換を掛けるであった。

重要なことは、変数が多いと変数間の関係が複雑になりすぎるので、
変数間の関係を本質を変えずに取り除き、対象間の関係のみに焦点を絞ること。

ところで、主成分分析を2〜3変数のデータに対して用いている例を見かけるが、
実は、少ない変数の場合は、分散共分散行列と相関係数行列を見ても混乱しない。

したがって、散布図行列を観察するだけで十分に解釈できる場合が多い。
状況に合わせて、適切な方法を選択することが重要である。
重回帰分析や偏相関係数を観察するという方法もある。

さて、少し話が逸れたが、本日は、主成分分析の解釈について整理する。
正確には、主成分得点と主成分負荷量を可視化し、
それらから適切な解釈を導く方法について整理する。

では、さっそく、前回までに用いたデータを用いて、実際の処理を始める。
今回もGoogle Spreadsheet にデータを置いてあるので、それを利用する。
なお、今回は、散布図行列を作成するステップは省略する。本当は必要。

library(RCurl)

データの詳細は、散布図行列の話にあるので、そちらを参照する。
ライブラリを無事に読み込めたら、次は、以下のコマンドを実行する。

# Google Spreadsheet からデータをダウンロードする
data <- getURL("https://docs.google.com/spreadsheet/pub?key=0AtOtIs5BjRVhdHo0c0pjb29OTU9aV3BmQUFJUWJQa0E&single=true&gid=0&range=A1%3AK48&output=csv")

# ダウンロードしたデータを読み込む
X <- as.matrix(read.table(textConnection(data), header=TRUE, row.names=1, sep=","))

主成分分析の結果を可視化する場合には、
バイプロットと呼ばれる方法を用いるのが一般的であり、
prcomp()関数の結果も、その方法で可視化する。

しかしながら、最初からバイプロットで可視化すると、
初学者の多くは、間違った解釈を行う危険性がある。
そこで、本日は、特異値分解から直接的に分析し、その結果の可視化を行う。

ところで、このチュートリアルで用いているデータは、
分散共分散行列と相関係数行列のうち、どちらが適切であったか?

確か、単位が揃っていて、その単位における値の大小にも意味があったので、
分散共分散行列の方が適切であった。前回の話では、そのように解説した。
っということは、つまりは、偏差行列を準備する必要があった。

# 行列の引き算ができるように、平均値を総数個複製する。
M <- matrix(rep(m <- t(colMeans(X)), each=nrow(X)), nrow=nrow(X))

# 元の行列から、偏差行列を作成する。
A <- as.matrix(X-M)

次に、作成された偏差行列に対して特異値分解を行い、
主成分得点と主成分負荷量を計算する。

# 特異値分解を行う
A.svd <- svd(A)

# 主成分スコアと主成分負荷量を計算する
A.svd.score <- A.svd$u %*% diag(A.svd$d)
A.svd.loadings <- A.svd$v %*% diag(A.svd$d)

各主成分の説明力についての情報も欲しい。説明力は何に対応していたか?
確か、主成分得点の行列の分散の割合に相当していた。

# 割合を100分率で表し、さらに、小数点第二位で切り詰める。
A.svd.per <- round(diag((var(A.svd.score)/sum(diag(var(A.svd.score)))))*100,2)

割合なので、小数点以下をダラダラと書いても仕方がない。
小数点第二位〜第三位当たりで切る。この場合は、第二位までで十分。

では、さっそく、「第1主成分」における「主成分負荷量」を可視化してみる。
今は、量の大きさを可視化したいので、棒グラフを用いる。詳しくは、棒グラフの話。

# 第一主成分というのは、主成分の第1次元ということ
dim <- 1

# 各変数の分散の割合の大きさを表すだけなので、とりあえず棒グラフで表現
barplot(as.vector(A.svd.loadings[,dim]), names=colnames(X))

# タイトルは必ず必要。タイトル文字を作成する。少々面倒。
pca.loadings.title <- paste("Factors of principal component in dimension", dim, sep="")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , A.svd.per[1],sep="\n")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , "%", sep="")

# タイトルをグラフに与える。
title(main=pca.loadings.title, ylab="variance")

まずは、主成分負荷量の見方から整理する。

この図では、第1主成分における主成分負荷量は、正と負の値を取っている。
実は、主成分分析の正と負は計算方法に依存しソフトや関数によって逆転する。

したがって、分散の大きさの差と、「0」を中心に二つの相反する性質を表す。
正と負は関係無いので、正負に捕らわれずに判断することが重要。

この図の場合、第1主成分では、国際協力に関する活動と医療や健康に関する活動、
の二つの変数に相当する主成分負荷量が両極にあって、国際協力に近い方から見ていくと、
障害者に関する活動、高齢者に関する活動・・・という順番で並んでいる。

医療や健康に関する活動「のみ」が反対側に向いていて、
しかも、出ている度合いがかなり小さいのが気になるが...とりあえず、次に進む。

こうした状況を観察してみると、第1主成分における二つの対極というのは、
一方がグローバルな活動を表し、もう一方がローカルな活動を表している「らしく」、
この状況は、元のデータの50.79%を説明していることが解る。

「らしく」というのは、この状況だけでは、まだ、なんとも言えない。焦ってはいけない。
主成分得点に関しても同様の図を作成し、
意味については、両方を比較しながら再度検討する。


# 第一主成分というのは、主成分の第1次元ということ
dim <- 1

# 各変数の分散の割合の大きさを表すだけなので、とりあえず棒グラフで表現
barplot(as.vector(A.svd.score[,dim]), names=rownames(X), las=2)

# タイトルは必ず必要。タイトル文字を作成する。少々面倒。
pca.loadings.title <- paste("Scores of principal component in dimension", dim, sep="")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , A.svd.per[dim],sep="\n")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , "%", sep="")

# タイトルをグラフに与える。
title(main=pca.loadings.title, ylab="variance")

第1主成分における主成分得点は、第1主成分における主成分負荷量に対応している。
つまり、この図においては、「0」を中心に下側はグローバルな活動の強さを表し、
一方、上側はローカルな活動の強さを表している。

なお、「0」付近というのは、どちらにも寄らないことを意味するので、
比較的に平均「的」な対象が集まっている。

そうそう、具体的な数値もあった方が良い。

> A.svd.score[(order(A.svd.score[,1])),][,1]
      Oita       Aichi       Miyagi     Ibaraki    Ishikawa    Kanagawa
-84.3659879 -27.2237009 -17.5878902 -17.4725893 -15.6203251 -15.3652856
       Gifu        Nara   Fukushima     Saitama       Ehime       Hyogo
-14.7809511 -12.8015618 -11.9976794 -11.9089262  -9.1302220  -8.3305146
   Kumamoto       Kochi      Toyama    Tokyo-to       Akita     Niigata
 -7.8976958  -6.4295937  -5.7279074  -4.9173176  -4.1723528  -3.8796902
   Shizuoka     Okinawa       Shiga    Osaka-fu     Fukuoka   Tokushima
 -2.8219903  -1.7026102  -1.2568486  -0.8619497   0.3182618   2.6431475
     Nagano       Gumma    Hokkaido      Iwate        Chiba     Okayama
  2.6834044   2.8809400   3.6513143   4.1912833   4.8209478   5.4525580
     Kagawa     Tochigi   Kagoshima   Hiroshima        Saga        Mie
  6.0702498   9.7733572   9.8101319  13.1450657  13.4666745  13.5595689
  Yamanashi     Tottori    Wakayama    Miyazaki    Kyoto-fu   Yamaguchi
 13.8047619  14.2913455  14.4812483  15.6424106  15.8493474  15.8798751
   Nagasaki     Aomori      Shimane    Yamagata       Fukui
 18.3468538  19.7863922  21.2399576  21.3140915  23.1504013

まず、グローバルな活動の強さを見ると、大分県が圧倒的に強く現れており、
次いで、愛知県、宮城県、茨城県、石川県、神奈川県・・・と続く。

一方、ローカルな活動の強さを見ると、福井県が最も値が大きく、
山形県、島根県、青森県、長崎県、山口県・・・と続く。

全体的な印象として、グローバルな活動は、比較的人口が集中している地域が多く、
ローカルな活動は、過疎化などが問題になっている地域が多いように思える。

ここで、気になるのは、グローバルな活動が大分県で高いこと。
このように「なんで?」という疑問は良く生じる。

そういった時に、元データを参照すると新しいことが見えてくる。
常に、元データと分析結果を交互に行き来することが重要。

> X
            HM  ELD   HC  CHR   SC   LI   SP  ENV  DIS    IC
Hokkaido  11.3 35.1 34.1 21.2 44.3 14.4 15.5 24.1  5.4  17.9
Aomori    15.2 21.0 22.4 13.3 55.2  7.9  8.4 19.9  8.3   8.0
Iwate      6.0 26.1 12.5 15.9 33.1 10.6 15.6 16.9 11.8  26.9
Miyagi    22.8 40.6 32.8 20.7 43.4 13.4 14.3 22.6 15.2  40.4
Akita      4.9 19.5 25.1 16.1 41.2  7.4  9.8 12.8 10.4  33.2
Yamagata   7.4 26.5 13.4 15.8 33.3  9.5 11.4 13.0  5.9   8.7
Fukushima 14.8 30.5 16.2 15.9 40.9 10.5 16.4 29.6 15.2  41.8
Ibaraki    7.9 29.6 38.6 21.4 63.1  9.5 29.6 26.9 10.2  38.5
Tochigi   16.2 36.2 24.3 20.4 51.2 12.1 14.5 24.9  4.7  14.5
Gumma     14.6 32.4 23.1 18.8 41.9  8.7 16.8 26.5  5.9  23.3
Saitama   10.3 36.3 21.8 18.3 34.5 15.0 24.7 28.9  8.5  38.3
Chiba     10.9 29.4 33.1 20.6 42.2 15.5 24.7 22.6  7.1  17.6
Tokyo-to  11.4 41.9 36.8 24.5 37.9 26.1 18.6 48.1  6.6  23.8
Kanagawa  11.9 31.4 26.0 24.6 44.7 16.0 23.7 42.2  5.4  40.7
Niigata   10.3 35.6 36.8 19.0 49.6  8.4 20.6 23.6  5.2  24.8
Toyama    16.8 25.1 28.3 15.6 37.8 11.5 16.5 19.2  9.0  32.7
Ishikawa   6.9 41.7 13.4 25.3 35.0 10.4 23.3 20.3  9.1  43.9
Fukui      7.5 29.3 12.1 17.4 44.2 10.2 15.1 19.6  4.4   5.8
Yamanashi 12.8 27.4 18.2 17.1 39.2  8.7 12.0 25.4  5.4  14.6
Nagano    12.4 24.9 31.8 16.6 29.9  9.3 14.1 18.5  4.9  22.9
Gifu      18.5 29.9 20.7 16.4 44.6  8.2 18.7 26.3  5.2  43.8
Shizuoka  10.6 32.7 18.5 17.8 50.8 11.1 12.8 21.1  5.4  30.9
Aichi      9.0 42.6 21.1 20.2 36.0 11.5 22.1 20.7  5.2  54.2
Mie       23.6 26.8 14.2 17.6 45.4 12.1 15.8 22.6  4.6  16.3
Shiga      9.5 28.0 15.8 22.3 40.9 10.1 13.3 20.7  4.6  31.1
Kyoto-fu  17.6 32.7 22.3 30.3 38.2 18.0 22.4 34.5  5.8   8.3
Osaka-fu  11.9 28.8 41.4 22.2 36.3 13.6 17.5 38.9  7.4  21.2
Hyogo      7.0 40.0 39.8 26.4 42.2 15.6 16.1 23.3  7.8  27.4
Nara      16.3 34.0 36.7 24.9 39.9 11.1 17.2 23.6  7.6  35.0
Wakayama   8.2 38.2 25.1 16.7 39.6 13.2 10.8 33.7  8.2   8.9
Tottori   12.6 31.6 18.3 15.9 41.9  9.2 12.7 23.7  5.1  13.2
Shimane   17.4 28.1 12.3 18.6 31.9  9.9 20.9 20.5  6.6   8.3
Okayama   17.9 39.6 26.9 23.0 32.7 11.9 12.7 27.5  4.6  18.2
Hiroshima 10.0 33.8 25.2 23.1 36.2 12.5 20.7 24.9  4.2  10.8
Yamaguchi 14.2 26.2 31.4 19.7 32.9 11.2 17.5 24.0  5.5   7.9
Tokushima 19.3 26.0 29.8 15.7 46.5  9.7 12.0 17.5  6.9  23.2
Kagawa    18.2 30.8 21.7 20.1 54.5 11.1 12.6 20.7  8.4  20.5
Ehime      9.0 44.3 26.2 18.7 37.5  8.0 13.4 22.5  7.3  33.1
Kochi     19.1 38.3 27.6 19.7 43.0 14.6 11.9 34.7  5.4  30.7
Fukuoka    9.6 29.7 30.5 27.9 44.0 14.4 18.6 24.0 13.3  22.8
Saga      18.9 31.5 27.8 20.7 52.2 10.2 20.0 17.4  5.2  10.2
Nagasaki  26.7 33.4 25.0 18.8 55.1 11.7 10.7 26.9  4.3   6.1
Kumamoto  21.5 38.1 56.9 17.3 30.4 12.5 13.2 20.0  4.2  23.5
Oita      13.4 44.5 58.9 23.8 47.7 12.8 14.5 21.2  6.7 102.6
Miyazaki  13.6 23.8 26.0 20.1 38.7 13.7 21.9 33.0  6.9   9.6
Kagoshima 21.2 26.6 22.2 14.1 40.3 11.1 10.7 18.7  4.7  18.4
Okinawa   21.7 39.9 26.4 22.4 46.6 22.4 20.7 46.0 10.6  24.3

なるほど、確かに、大分県では国際協力に関わるボランティア活動の割合が、
他の都道府県と比較して、群を抜いて高い。では、福井県はどうであるか?

うん?今度は、あまり、何かの値が突出しているようには見えない。
ついでに、データのサマリと箱ヒゲ図も確認。
> boxplot(X, main="Average Days for Participation in Volunteer Activities", ylab="Average days in a year")

> summary(X)
       HM             ELD              HC             CHR    
 Min.   : 4.90   Min.   :19.50   Min.   :12.10   Min.   :13.30
 1st Qu.: 9.80   1st Qu.:27.70   1st Qu.:20.90   1st Qu.:16.90
 Median :12.80   Median :31.50   Median :25.20   Median :19.70
 Mean   :13.80   Mean   :32.35   Mean   :26.59   Mean   :19.85
 3rd Qu.:17.75   3rd Qu.:37.20   3rd Qu.:31.60   3rd Qu.:22.25
 Max.   :26.70   Max.   :44.50   Max.   :58.90   Max.   :30.30
       SC              LI              SP             ENV    
 Min.   :29.90   Min.   : 7.40   Min.   : 8.40   Min.   :12.80
 1st Qu.:36.90   1st Qu.: 9.80   1st Qu.:12.75   1st Qu.:20.40
 Median :41.20   Median :11.20   Median :15.80   Median :23.60
 Mean   :41.89   Mean   :12.05   Mean   :16.53   Mean   :24.98
 3rd Qu.:45.05   3rd Qu.:13.50   3rd Qu.:20.30   3rd Qu.:26.90
 Max.   :63.10   Max.   :26.10   Max.   :29.60   Max.   :48.10
      DIS               IC      
 Min.   : 4.200   Min.   :  5.80
 1st Qu.: 5.200   1st Qu.: 13.85
 Median : 5.900   Median : 23.20
 Mean   : 7.028   Mean   : 25.08
 3rd Qu.: 8.250   3rd Qu.: 32.90
 Max.   :15.200   Max.   :102.60

さて、当初はローカルな活動の強さを表していたのかと思ったが、
福井県のデータは、全体的に各値が低く、特に、国際協力に関する活動は著しく低い。

この傾向は、福井県の次の山形県にも現れている。

したがって、ローカルというよりは「反」グローバル的とするか、
ボランティアに活動に対する総合的な取り組み度合いと見ても良かもしれない。

今度は、第2主成分に関しても同じことをしてみる。
今回は、二つの図を並べて同時に出力する。


#並べて描くためのオマジナイ。
par(mfrow=c(1,2))

# 今度は次元が2になる。
dim <- 2

# 一つ目の図には、主成分負荷量の図
# 各変数の分散の割合の大きさを表すだけなので、とりあえず棒グラフで表現
barplot(as.vector(A.svd.loadings[,dim]), names=colnames(X))

# タイトルは必ず必要。タイトル文字を作成する。少々面倒。
pca.loadings.title <- paste("Factors of principal component in dimension", dim, sep=" ")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , A.svd.per[dim],sep="\n")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , "%", sep="")

# タイトルをグラフに与える。
title(main=pca.loadings.title, ylab="variance")

# 次は、主成分得点の可視化
# 各変数の分散の割合の大きさを表すだけなので、とりあえず棒グラフで表現
barplot(as.vector(A.svd.score[,dim]), names=rownames(X), las=2)

# タイトルは必ず必要。タイトル文字を作成する。少々面倒。
pca.loadings.title <- paste("Scores of principal component in dimension", dim, sep=" ")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , A.svd.per[dim],sep="\n")
pca.loadings.title <- paste(pca.loadings.title , "%", sep="")

# タイトルをグラフに与える。
title(main=pca.loadings.title, ylab="variance")

実際の値も表示する。これは、結果のみ。

> A.svd.score[(order(A.svd.score[,2])),][,2]
    Tokyo-to     Kumamoto     Osaka-fu      Okinawa     Kyoto-fu        Hyogo 
-25.48330834 -19.54068817 -17.89270947 -17.53265633 -11.60217588 -10.09716695 
    Wakayama     Hokkaido     Nagasaki     Miyazaki        Kochi      Niigata 
 -7.99181874  -7.95731799  -7.78153288  -7.29715992  -6.45035170  -6.32440501 
       Chiba     Kanagawa    Yamaguchi      Okayama      Ibaraki         Nara 
 -6.11855778  -6.08651180  -6.01139834  -5.64678869  -5.49745999  -4.43666871 
   Hiroshima      Fukuoka      Tochigi         Saga       Miyagi        Oita  
 -4.06168230  -3.71780644  -3.37521039  -2.60332055  -1.57447800   0.03078564 
       Gumma       Nagano    Tokushima        Ehime       Kagawa      Saitama 
  1.82577203   3.22769906   3.37501834   3.66652229   3.79919709   3.97604392 
     Tottori      Aomori     Yamanashi    Kagoshima       Toyama         Mie  
  4.70810331   5.05798505   5.39623139   6.31970748   6.62959774   6.96469789 
     Shimane        Fukui         Gifu     Shizuoka    Fukushima       Aichi  
  8.14448030   9.14451299   9.99399234  10.06750081  11.39446940  12.86385463 
       Shiga     Yamagata     Ishikawa        Akita       Iwate  
 13.29618683  14.73308634  15.04994751  16.76995612  18.64582591 

第2主成分は、元情報の16.38%の情報を持っている。
主成分負荷量を見ると、障害者に関する活動と国際協力に関する活動が対立している。
全体的に見てみると、恒常的な状況と特殊な状況に分かれているように見える。

一方、主成分得点を見てみると、下側に最も値が高いのが東京都で、
熊本県、大阪府、沖縄県、京都府・・・と続く。
逆に、上側に最も値が高いのは、岩手県で、秋田県、石川県、山形県・・・と続く。

それぞれの上位を見てみると、下側には西日本が多く含まれていて、
上側には東日本が多く含まれているようにも見える。
文化の違いだろうか?それとも、人口密度の問題だろうか?

研究として踏み込むのであれば、より詳細な検討を必要とする。
元データがどのようにして得られたのか、あるいは、外国人の居住人口の割合、
高齢者や障害者の人口比率、犯罪件数、環境汚染といった他の情報も必要とする。
少なくとも、今回のデータでは、これ以上の解釈はできない。

これは、主成分分析に限ったことでは無いが、データの背景を知ることは極めて重要。
また、ある分析から導かれるのが解釈ではなく、新しい疑問であることも多い。

分析結果を安易に鵜呑みにしたり、
強引に分析結果を結びつけることも厳禁!
こういった状況を目にすることは多い。

さて、話が逸れたが、主成分分析の結果を可視化するために、
棒グラフを用いて説明してきたが、これは、各主成分を1次元ごとに観察するため。
次は、二つの次元を同時に可視化する方法を行うが1次元毎に解釈するのは同じ。

では、第1主成分と第2主成分の主成分負荷量を同時に表現してみる。
# 第1主成分と第2主成分の次元を設定する
dim1 <- 1
dim2 <- 2

# 第1主成分と第2主成分の主成分負荷量をベクトルに入れる
x <- A.svd.loadings[,dim1]
y <- A.svd.loadings[,dim2]

# x軸の軸ラベル
label_x <- ""
label_x <- paste("Dim.", dim1)
label_x <- paste(label_x, "(")
label_x <- paste(label_x, A.svd.per[dim1], sep="")
label_x <- paste(label_x, "%)")

# y軸の軸ラベル
label_y <- ""
label_y <- paste("Dim.", dim2)
label_y <- paste(label_y, "(")
label_y <- paste(label_y, A.svd.per[dim2], sep="")
label_y <- paste(label_y, "%)")

# まずは、プロット領域を作成し、ラベルを配置する
plot(x, y, xlab=label_x, ylab=label_y, type="n", main="Loadings of principal component")
text(x, y, colnames(X), cex=0.8)

# 原点0からの方向を矢印で表現する
arrows(x0=0, y0=0, x1=x, y1=y, length=0.1, col="red")

# 最後に、原点軸を入れて整形する
abline(h=0, v=0, lty=2, col="lightgrey")

主成分負荷量の見方は、棒グラフで見た方法と同じ。要するに、一次元で観察する。
主成分負荷量というのは、あくまで、各次元における主成分の方向の強さなので、
幾何的なベクトルとして考えて矢印で表現する。

今度は、主成分得点の図も出してみる。
# 第1主成分と第2主成分の次元を設定する
dim1 <- 1
dim2 <- 2

# 第1主成分と第2主成分の主成分負荷量をベクトルに入れる
x <- A.svd.loadings[,dim1]
y <- A.svd.loadings[,dim2]

# x軸の軸ラベル
label_x <- ""
label_x <- paste("Dim.", dim1)
label_x <- paste(label_x, "(")
label_x <- paste(label_x, A.svd.per[dim1], sep="")
label_x <- paste(label_x, "%)")

# y軸の軸ラベル
label_y <- ""
label_y <- paste("Dim.", dim2)
label_y <- paste(label_y, "(")
label_y <- paste(label_y, A.svd.per[dim2], sep="")
label_y <- paste(label_y, "%)")

# まずは、プロット領域を作成し、ラベルを配置する
plot(x, y, xlab=label_x, ylab=label_y, type="n", main="Loadings of principal component")
text(x, y, colnames(X), cex=0.8)

# 原点0からの方向を矢印で表現する
arrows(x0=0, y0=0, x1=x, y1=y, length=0.1, col="red")

# 最後に、原点軸を入れて整形する
abline(h=0, v=0, lty=2, col="lightgrey")

# 第1主成分と第2主成分の主成分負荷量をベクトルに入れる
x <- A.svd.score[,dim1]
y <- A.svd.score[,dim2]

# x軸の軸ラベル
label_x <- ""
label_x <- paste("Dim.", dim1)
label_x <- paste(label_x, "(")
label_x <- paste(label_x, A.svd.per[dim1], sep="")
label_x <- paste(label_x, "%)")

# y軸の軸ラベル
label_y <- ""
label_y <- paste("Dim.", dim2)
label_y <- paste(label_y, "(")
label_y <- paste(label_y, A.svd.per[dim2], sep="")
label_y <- paste(label_y, "%)")
# まずは、プロット領域を作成し、ラベルを配置する
plot(x, y, xlab=label_x, ylab=label_y, type="n", main="Scores of principal component")
text(x+1, y+1, rownames(X), cex=0.8)

# 原点0からの方向を矢印で表現する
points(x, y, pch=16, col="blue")

# 最後に、原点軸を入れて整形する
abline(h=0, v=0, lty=2, col="lightgrey")

主成分得点は、散布図の「ように」可視化する。あくまで「ように」。
重要なことは、主成分負荷量と同様に、各次元ごとに1次元で解釈すること。

さて、ここでは第1主成分と第2主成分における主成分得点を同時に布置している。
したがって、比較的近い所に布置されている物同士は、
この二つの主成分のみにおいて似た性質を持っていると言える。

また、「0」付近に布置されるもの(今回は存在しない)は、
可視化された二つの軸において、平均「的」な性質を持っていることを意味する。

さて、最後に、相関係数行列に対応した場合でのプロットも作成してみる。
今回の場合、分散共産分散行列に対応した方法が良いのであるが練習だけ。
# 特異値分解を行う
A.svd <- svd(scale(X))

# 主成分スコアと主成分負荷量を計算する
A.svd.score <- A.svd$u %*% diag(A.svd$d)
A.svd.loadings <- (A.svd$v %*% diag(A.svd$d))/sqrt(nrow(X)-1)

# 二つのプロットを並べて描くためのオマジナイ
par(mfrow=c(1,2))

# 第1主成分と第2主成分の次元を設定する
dim1 <- 1
dim2 <- 2

# x軸の軸ラベル
label_x <- ""
label_x <- paste("Dim.", dim1)
label_x <- paste(label_x, "(")
label_x <- paste(label_x, A.svd.per[dim1], sep="")
label_x <- paste(label_x, "%)")

# y軸の軸ラベル
label_y <- ""
label_y <- paste("Dim.", dim2)
label_y <- paste(label_y, "(")
label_y <- paste(label_y, A.svd.per[dim2], sep="")
label_y <- paste(label_y, "%)")

# 主成分負荷量のプロット
# 第1主成分と第2主成分の主成分負荷量をベクトルに入れる
x <- A.svd.loadings[,dim1]
y <- A.svd.loadings[,dim2]

# まずは、プロット領域を作成し、ラベルを配置する
plot(x, y, xlab=label_x, ylab=label_y, type="n", main="Loadings of principal component", xlim=c(-1,1),ylim=c(-1,1),asp=1)
text(x, y, colnames(X), cex=0.8)

# 中心に円を描く
x.circle <- seq(-1, 1, by = 0.01)
y.circle <- sqrt(1 - x.circle^2)
lines(x.circle, y = y.circle)
lines(x.circle, y = -y.circle)

# 原点0からの方向を矢印で表現する
arrows(x0=0, y0=0, x1=x, y1=y, length=0.1, col="red")

# 最後に、原点軸を入れて整形する
abline(h=0, v=0, lty=2, col="lightgrey")

# 主成分得点のプロット
# 第1主成分と第2主成分の主成分負荷量をベクトルに入れる
x <- A.svd.score[,dim1]
y <- A.svd.score[,dim2]

# まずは、プロット領域を作成し、ラベルを配置する
plot(x, y, xlab=label_x, ylab=label_y, type="n", main="Scores of principal component")
text(x+0.1, y+0.1, rownames(X), cex=0.8)

# 原点0からの方向を矢印で表現する
points(x, y, pch=16, col="blue")

# 最後に、原点軸を入れて整形する
abline(h=0, v=0, lty=2, col="lightgrey")

相関係数行列に対応する主成分分析を行う場合、
主成分負荷量は、sqrt(n-1) で基準化する必要がある。

そして、これを可視化する場合には、分散が1であることを示すために半径1の円を描く。
別の言い方をすると、主成分負荷量のプロットの中心に円が描かれている場合には、
その分析結果が相関係数行列に対応していることが解るのである。

さて、今回は第1主成分と第2主成分のみの可視化を行った。
これは、元のデータの67.17%を再現している。
これが十分であるかは、もう少し議論がある。

基本的には、この値が高いほど元のデータに近づくのであるが、
必ずしも、値が高ければ良いとも言えない。

というのは、第1主成分に特定の変数の値が強く反映され、
他の状況が上手く読み取れない場合が存在する。
そのような場合、第1主成分を除いて、第2主成分以下で分析することがある。

また、ある特殊な状況においては、第1主成分と第2主成分の主成分得点のプロットが、
「U」の字に布置されることがあって(馬蹄形問題)、そのような場合には、
第1主成分と第3主成分で観察し直す必要がある。この話はいずれ。

今回は、主成分負荷量と主成分得点を可視化する方法を実践し、
さらに、その結果を横に並べて表示した。
実は、この二つの図を重ね合わせる可視化方法があって、
その方法のことをバイプロットと呼ぶ。

次回は、そのバイプロットについて整理する。