Sélection bayésienne de variables et méthodes de type Parallel Tempering avec et sans vraisemblance

• Auteur / Autrice : Meïli Baragatti
• Direction : Denys Pommeret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 10/11/2011
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques et Informatique de Marseille (Marseille ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mathématiques de Luminy (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Avner Bar-Hen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denys Pommeret, Avner Bar-Hen, Jean-michel Marin, Nicolas Chopin, Adeline Leclercq-Samson, Marc Chadeau-Hyam, Sabrina Carpentier, Christophe Abraham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-michel Marin, Nicolas Chopin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ridge régression (statistique)

Probits

Variables (mathématiques)

Mots clés libres

Sélection bayésienne de variables

Modèle probit mixte

A priori de Zellner

Paramètre ridge

Monte Carlo Markov Chains

Parallel Tempering

Equi-Energy Sampler

Approximate Bayesian Computation

Méthodes sans vraisemblance

Bayesian variable selection

Probit mixed model

Zellner g-prior

Ridge parameter

Monte Carlo Markov Chains

Parallel Tempering

Equi-Energy Sampler

Approximate Bayesian Computation

Likelihood-Free methods

Résumé

Cette thèse se décompose en deux parties. Dans un premier temps nous nous intéressons à la sélection bayésienne de variables dans un modèle probit mixte.L'objectif est de développer une méthode pour sélectionner quelques variables pertinentes parmi plusieurs dizaines de milliers tout en prenant en compte le design d'une étude, et en particulier le fait que plusieurs jeux de données soient fusionnés. Le modèle de régression probit mixte utilisé fait partie d'un modèle bayésien hiérarchique plus large et le jeu de données est considéré comme un effet aléatoire. Cette méthode est une extension de la méthode de Lee et al. (2003). La première étape consiste à spécifier le modèle ainsi que les distributions a priori, avec notamment l'utilisation de l'a priori conventionnel de Zellner (g-prior) pour le vecteur des coefficients associé aux effets fixes (Zellner, 1986). Dans une seconde étape, nous utilisons un algorithme Metropolis-within-Gibbs couplé à la grouping (ou blocking) technique de Liu (1994) afin de surmonter certaines difficultés d'échantillonnage. Ce choix a des avantages théoriques et computationnels. La méthode développée est appliquée à des jeux de données microarray sur le cancer du sein. Cependant elle a une limite : la matrice de covariance utilisée dans le g-prior doit nécessairement être inversible. Or il y a deux cas pour lesquels cette matrice est singulière : lorsque le nombre de variables sélectionnées dépasse le nombre d'observations, ou lorsque des variables sont combinaisons linéaires d'autres variables. Nous proposons donc une modification de l'a priori de Zellner en y introduisant un paramètre de type ridge, ainsi qu'une manière de choisir les hyper-paramètres associés. L'a priori obtenu est un compromis entre le g-prior classique et l'a priori supposant l'indépendance des coefficients de régression, et se rapproche d'un a priori précédemment proposé par Gupta et Ibrahim (2007).Dans une seconde partie nous développons deux nouvelles méthodes MCMC basées sur des populations de chaînes. Dans le cas de modèles complexes ayant de nombreux paramètres, mais où la vraisemblance des données peut se calculer, l'algorithme Equi-Energy Sampler (EES) introduit par Kou et al. (2006) est apparemment plus efficace que l'algorithme classique du Parallel Tempering (PT) introduit par Geyer (1991). Cependant, il est difficile d'utilisation lorsqu'il est couplé avec un échantillonneur de Gibbs, et nécessite un stockage important de valeurs. Nous proposons un algorithme combinant le PT avec le principe d'échanges entre chaînes ayant des niveaux d'énergie similaires dans le même esprit que l'EES. Cette adaptation appelée Parallel Tempering with Equi-Energy Moves (PTEEM) conserve l'idée originale qui fait la force de l'algorithme EES tout en assurant de bonnes propriétés théoriques et une utilisation facile avec un échantillonneur de Gibbs.Enfin, dans certains cas complexes l'inférence peut être difficile car le calcul de la vraisemblance des données s'avère trop coûteux, voire impossible. De nombreuses méthodes sans vraisemblance ont été développées. Par analogie avec le Parallel Tempering, nous proposons une méthode appelée ABC-Parallel Tempering, basée sur la théorie des MCMC, utilisant une population de chaînes et permettant des échanges entre elles.

This thesis is divided into two main parts. In the first part, we propose a Bayesian variable selection method for probit mixed models. The objective is to select few relevant variables among tens of thousands while taking into account the design of a study, and in particular the fact that several datasets are merged together. The probit mixed model used is considered as part of a larger hierarchical Bayesian model, and the dataset is introduced as a random effect. The proposed method extends a work of Lee et al. (2003). The first step is to specify the model and prior distributions. In particular, we use the g-prior of Zellner (1986) for the fixed regression coefficients. In a second step, we use a Metropolis-within-Gibbs algorithm combined with the grouping (or blocking) technique of Liu (1994). This choice has both theoritical and practical advantages. The method developed is applied to merged microarray datasets of patients with breast cancer. However, this method has a limit: the covariance matrix involved in the g-prior should not be singular. But there are two standard cases in which it is singular: if the number of observations is lower than the number of variables, or if some variables are linear combinations of others. In such situations we propose to modify the g-prior by introducing a ridge parameter, and a simple way to choose the associated hyper-parameters. The prior obtained is a compromise between the conditional independent case of the coefficient regressors and the automatic scaling advantage offered by the g-prior, and can be linked to the work of Gupta and Ibrahim (2007).In the second part, we develop two new population-based MCMC methods. In cases of complex models with several parameters, but whose likelihood can be computed, the Equi-Energy Sampler (EES) of Kou et al. (2006) seems to be more efficient than the Parallel Tempering (PT) algorithm introduced by Geyer (1991). However it is difficult to use in combination with a Gibbs sampler, and it necessitates increased storage. We propose an algorithm combining the PT with the principle of exchange moves between chains with same levels of energy, in the spirit of the EES. This adaptation which we are calling Parallel Tempering with Equi-Energy Move (PTEEM) keeps the original idea of the EES method while ensuring good theoretical properties and a practical use in combination with a Gibbs sampler.Then, in some complex models whose likelihood is analytically or computationally intractable, the inference can be difficult. Several likelihood-free methods (or Approximate Bayesian Computational Methods) have been developed. We propose a new algorithm, the Likelihood Free-Parallel Tempering, based on the MCMC theory and on a population of chains, by using an analogy with the Parallel Tempering algorithm.