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症状网络与网络精神病学03 / 20

正则化估计:EBICglasso

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9 个症状(如 PHQ-9 抑郁量表)需要估计 9×8/2=369\times8/2=36 个偏相关;37 个条目的组合量表需要 666 个。样本量有限时,样本偏相关会产生大量小而非零的虚假边。标准做法是图形 LASSO(graphical LASSO, glasso):在最大化似然的同时对精度矩阵的非对角元素施加 ℓ1\ell_1 惩罚

K̂=arg⁡maxK≻0log⁡det⁡K−tr⁡(SK)−λ∑i≠j|Kij|\hat K = \arg\max_{K \succ 0}\; \log\det K - \operatorname{tr}(SK) - \lambda \sum_{i\neq j}|K_{ij}|

λ\lambda 越大,被压缩为 0 的边越多。λ\lambda 通常由扩展贝叶斯信息准则(EBIC)选择,超参数 γ\gamma 常取 0.5,γ\gamma 越大网络越稀疏、越保守。这一整套流程(EBICglasso)是 R 包 qgraph 和 bootnet 的默认方法之一,详见 Epskamp & Fried(2018, Psychological Methods)的教程;完整算法见数学推导与算法,numpy 实现见代码示例中的“EBICglasso”单元。

正则化带来的三个后果

  1. 稀疏化:许多边被精确地压为 0,网络图更易读,假阳性边减少;
  2. 收缩偏倚(shrinkage bias):保留下来的边权也被系统地向 0 压小,因此正则化网络的边权大小不能直接当作效应量的无偏估计;
  3. 选择不确定性:λ\lambda 由数据选出,“哪些边被保留”本身随样本波动,这正是稳定性分析要量化的东西。

替代估计方法

  • 非正则化模型选择:在 nn 相对 pp 较大时,可先用 glasso 产生候选结构,再在每个候选结构下做无惩罚的最大似然估计,以 EBIC 在候选中选择(qgraph 的 ggmModSelect);或逐步删边/加边。这样避免收缩偏倚。
  • 逐节点回归(neighborhood selection):对每个节点做 LASSO 回归,再用 AND/OR 规则合成无向图;这也是 Ising 模型和混合图模型的标准估计思路。
  • 显著性检验法:对每个偏相关做检验(如 Fisher zz)并做多重比较校正,适合低维情形。

各方法在“发现真实边的能力”(敏感性)与“少报假边”(特异性)之间各有取舍,选择依据见样本量与估计方法的选择。

几个实际细节:(1)量表条目通常是有序变量,常用多分格相关代替皮尔逊相关作为输入;(2)二分类症状(有/无)应改用 Ising 模型;(3)LASSO 的稀疏化假设“真实网络是稀疏的”,如果真实网络是由许多小边构成的稠密网络(例如数据其实由一个潜变量产生),LASSO 会系统性地漏掉它们(Epskamp, Kruis & Marsman, 2017, PLOS ONE);(4)正则化后边权被压缩,边不存在不代表真实的条件独立,可能只是功效不足。