
R语言通过loess去除某个变量对数据的影响
当我们想研究不同sample的某个变量A之间的差异时,往往会因为其它一些变量B对该变量的固有影响,而影响不同sample变量A的比较,这个时候需要对sample变量A进行标准化之后才能进行比较。标准化的方法是对sample 的 A变量和B变量进行loess回归,拟合变量A关于变量B的函数 f(b),f(b)则表示在B的影响下A的理论取值,A-f(B)(A对f(b)残差)就可以去掉B变量对A变量的影响,此时残差值就可以作为标准化的A值在不同sample之间进行比较。
Loess局部加权多项式回归
LOWESS最初由Cleveland 提出,后又被Cleveland&Devlin及其他许多人发展。在R中loess 函数是以lowess函数为基础的更复杂功能更强大的函数。主要思想为:在数据集合的每一点用低维多项式拟合数据点的一个子集,并估计该点附近自变量数据点所对应的因变量值,该多项式是用加权最小二乘法来拟合;离该点越远,权重越小,该点的回归函数值就是这个局部多项式来得到,而用于加权最小二乘回归的数据子集是由最近邻方法确定。
最大优点:不需要事先设定一个函数来对所有数据拟合一个模型。并且可以对同一数据进行多次不同的拟合,先对某个变量进行拟合,再对另一变量进行拟合,以探索数据中可能存在的某种关系,这是普通的回归拟合无法做到的。
LOESS平滑方法
1. 以x0为中心确定一个区间,区间的宽度可以灵活掌握。具体来说,区间的宽度取决于q=fn。其中q是参与局部回归观察值的个数,f是参加局部回归观察值的个数占观察值个数的比例,n是观察值的个数。在实际应用中,往往先选定f值,再根据f和n确定q的取值,一般情况下f的取值在1/3到2/3之间。q与f的取值一般没有确定的准则。增大q值或f值,会导致平滑值平滑程度增加,对于数据中前在的细微变化模式则分辨率低,但噪声小,而对数据中大的变化模式的表现则比较好;小的q值或f值,曲线粗糙,分辨率高,但噪声大。没有一个标准的f值,比较明智的做法是不断的调试比较。
2. 定义区间内所有点的权数,权数由权数函数来确定,比如立方加权函数weight = (1 - (dist/maxdist)^3)^3),dist为距离x的距离,maxdist为区间内距离x的最大距离。任一点(x0,y0)的权数是权数函数曲线的高度。权数函数应包括以下三个方面特性:(1)加权函数上的点(x0,y0)具有最大权数。(2)当x离开x0(时,权数逐渐减少。(3)加权函数以x0为中心对称。
3. 对区间内的散点拟合一条曲线y=f(x)。拟合的直线反映直线关系,接近x0的点在直线的拟合中起到主要的作用,区间外的点它们的权数为零。
4. x0的平滑点就是x0在拟合出来的直线上的拟合点(y0,f( x0))。
5. 对所有的点求出平滑点,将平滑点连接就得到Loess回归曲线。
R语言代码
loess(formula, data, weights, subset, na.action, model = FALSE,
span = 0.75, enp.target, degree = 2,
parametric = FALSE, drop.square = FALSE, normalize = TRUE,
family = c("gaussian", "symmetric"),
method = c("loess", "model.frame"),
control = loess.control(...), ...)
formula是公式,比如y~x,可以输入1到4个变量;
data是放着变量的数据框,如果data为空,则在环境中寻找;
na.action指定对NA数据的处理,默认是getOption("na.action");
model是否返回模型框;
span是alpha参数,可以控制平滑度,相当于上面所述的f,对于alpha小于1的时候,区间包含alpha的点,加权函数为立方加权,大于1时,使用所有的点,最大距离为alpha^(1/p),p 为解释变量;
anp.target,定义span的备选方法;
normalize,对多变量normalize到同一scale;
family,如果是gaussian则使用最小二乘法,如果是symmetric则使用双权函数进行再下降的M估计;
method,是适应模型或者仅仅提取模型框架;
control进一步更高级的控制,使用loess.control的参数;
其它参数请自己参见manual并且查找资料
loess.control(surface = c("interpolate", "direct"),
statistics = c("approximate", "exact"),
trace.hat = c("exact", "approximate"),
cell = 0.2, iterations = 4, ...)
surface,拟合表面是从kd数进行插值还是进行精确计算;
statistics,统计数据是精确计算还是近似,精确计算很慢
trace.hat,要跟踪的平滑的矩阵精确计算或近似?建议使用超过1000个数据点逼近,
cell,如果通过kd树最大的点进行插值的近似。大于cell floor(nspancell)的点被细分。
robust fitting使用的迭代次数。
predict(object, newdata = NULL, se = FALSE,
na.action = na.pass, ...)
object,使用loess拟合出来的对象;
newdata,可选数据框,在里面寻找变量并进行预测;
se,是否计算标准误差;
对NA值的处理
实例
生物数据分析中,我们想查看PCR扩增出来的扩增子的测序深度之间的差异,但不同的扩增子的扩增效率受到GC含量的影响,因此我们首先应该排除掉GC含量对扩增子深度的影响。
数据
amplicon 测序数据,处理后得到的每个amplicon的深度,每个amplicon的GC含量,每个amplicon的长度
先用loess进行曲线的拟合
gcCount.loess <- loess(log(RC+0.01)~GC,data=RC_DT,control = loess.control(surface = "direct"),degree=2)
画出拟合出来的曲线
predictions1<- predict (gcCount.loess,RC_DT$GC)
#plot scatter and line
plot(RC_DT$GC,log(RC_DT$RC+0.01),cex=0.1,xlab="GC Content",ylab=expression(paste("log(NRC"["lib"],"+0.01)",sep="")))
lines(RC_DT$GC,predictions1,col = "red")
取残差,去除GC含量对深度的影响
#sustract the influence of GC
resi <- log(RC_DT$RC+0.01)-predictions1
RC_DT$RC <- resi
setkey(RC_DT,GC)
此时RC_DT$RC就是normalize之后的RC
画图显示nomalize之后的RC,并将拟合的loess曲线和normalize之后的数据保存
#plot scatter and line using Norm GC data
plot(RC_DT$GC,RC_DT$RC,cex=0.1,xlab="GC Content",ylab=expression("NRC"["GC"]))
gcCount.loess <- loess(RC~GC,data=RC_DT,control = loess.control(surface = "direct"),degree=2)
save(gcCount.loess,file="/home/ywliao/project/Gengyan/gcCount.loess.Robject")
predictions2 <- predict(gcCount.loess,RC_DT$GC)
lines(RC_DT$GC,predictions2,col="red")
save(RC_DT,file="/home/ywliao/project/Gengyan/RC_DT.Rdata")
当然,也想看一下amplicon 长度len 对RC的影响,不过影响不大
全部代码如下:
library(data.table)
load("/home/ywliao/project/Gengyan/RC_DT.Rdata")
RC_DT <- na.omit(RC_DT[Type=="WBC",])
####loess GC vs RC####
gcCount.loess <- loess(log(RC+0.01)~GC,data=RC_DT,control = loess.control(surface = "direct"),degree=2)
predictions1<- predict (gcCount.loess,RC_DT$GC)
#plot scatter and line
plot(RC_DT$GC,log(RC_DT$RC+0.01),cex=0.1,xlab="GC Content",ylab=expression(paste("log(NRC"["lib"],"+0.01)",sep="")))
lines(RC_DT$GC,predictions1,col = "red")
#sustract the influence of GC
resi <- log(RC_DT$RC+0.01)-predictions1
RC_DT$RC <- resi
setkey(RC_DT,GC)
#plot scatter and line using Norm GC data
plot(RC_DT$GC,RC_DT$RC,cex=0.1,xlab="GC Content",ylab=expression("NRC"["GC"]))
gcCount.loess <- loess(RC~GC,data=RC_DT,control = loess.control(surface = "direct"),degree=2)
save(gcCount.loess,file="/home/ywliao/project/Gengyan/gcCount.loess.Robject")
predictions2 <- predict(gcCount.loess,RC_DT$GC)
lines(RC_DT$GC,predictions2,col="red")
save(RC_DT,file="/home/ywliao/project/Gengyan/RC_DT.Rdata")
####loess len vs RC###
setkey(RC_DT,Len)
len.loess <- loess(RC_DT$RC~RC_DT$Len, control = loess.control(surface = "direct"),degree=2)
predictions2<- predict (len.loess,RC_DT$Len)
#plot scatter and line
plot(RC_DT$Len,RC_DT$RC,cex=0.1,xlab="Length",ylab=expression(paste("log(RC"["GC"],"+0.01)",sep="")))
lines(RC_DT$Len,predictions2,col = "red")
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在 “神经网络与卡尔曼滤波融合” 的理论基础上,Python 凭借其丰富的科学计算库(NumPy、FilterPy)、深度学习框架(PyTorch、T ...
2025-10-23在工业控制、自动驾驶、机器人导航、气象预测等领域,“状态估计” 是核心任务 —— 即从含噪声的观测数据中,精准推断系统的真 ...
2025-10-23在数据分析全流程中,“数据清洗” 恰似烹饪前的食材处理:若食材(数据)腐烂变质、混杂异物(脏数据),即便拥有精湛的烹饪技 ...
2025-10-23在人工智能领域,“大模型” 已成为近年来的热点标签:从参数超 1750 亿的 GPT-3,到万亿级参数的 PaLM,再到多模态大模型 GPT-4 ...
2025-10-22在 MySQL 数据库的日常运维与开发中,“更新数据是否会影响读数据” 是一个高频疑问。这个问题的答案并非简单的 “是” 或 “否 ...
2025-10-22在企业数据分析中,“数据孤岛” 是制约分析深度的核心瓶颈 —— 用户数据散落在注册系统、APP 日志、客服记录中,订单数据分散 ...
2025-10-22在神经网络设计中,“隐藏层个数” 是决定模型能力的关键参数 —— 太少会导致 “欠拟合”(模型无法捕捉复杂数据规律,如用单隐 ...
2025-10-21在特征工程流程中,“单变量筛选” 是承上启下的关键步骤 —— 它通过分析单个特征与目标变量的关联强度,剔除无意义、冗余的特 ...
2025-10-21在数据分析全流程中,“数据读取” 常被误解为 “简单的文件打开”—— 双击 Excel、执行基础 SQL 查询即可完成。但对 CDA(Cert ...
2025-10-21在实际业务数据分析中,我们遇到的大多数数据并非理想的正态分布 —— 电商平台的用户消费金额(少数用户单次消费上万元,多数集 ...
2025-10-20在数字化交互中,用户的每一次操作 —— 从电商平台的 “浏览商品→加入购物车→查看评价→放弃下单”,到内容 APP 的 “点击短 ...
2025-10-20在数据分析的全流程中,“数据采集” 是最基础也最关键的环节 —— 如同烹饪前需备好新鲜食材,若采集的数据不完整、不准确或不 ...
2025-10-20在数据成为新时代“石油”的今天,几乎每个职场人都在焦虑: “为什么别人能用数据驱动决策、升职加薪,而我面对Excel表格却无从 ...
2025-10-18数据清洗是 “数据价值挖掘的前置关卡”—— 其核心目标是 “去除噪声、修正错误、规范格式”,但前提是不破坏数据的真实业务含 ...
2025-10-17在数据汇总分析中,透视表凭借灵活的字段重组能力成为核心工具,但原始透视表仅能呈现数值结果,缺乏对数据背景、异常原因或业务 ...
2025-10-17在企业管理中,“凭经验定策略” 的传统模式正逐渐失效 —— 金融机构靠 “研究员主观判断” 选股可能错失收益,电商靠 “运营拍 ...
2025-10-17在数据库日常操作中,INSERT INTO SELECT是实现 “批量数据迁移” 的核心 SQL 语句 —— 它能直接将一个表(或查询结果集)的数 ...
2025-10-16在机器学习建模中,“参数” 是决定模型效果的关键变量 —— 无论是线性回归的系数、随机森林的树深度,还是神经网络的权重,这 ...
2025-10-16在数字化浪潮中,“数据” 已从 “辅助决策的工具” 升级为 “驱动业务的核心资产”—— 电商平台靠用户行为数据优化推荐算法, ...
2025-10-16在大模型从实验室走向生产环境的过程中,“稳定性” 是决定其能否实用的关键 —— 一个在单轮测试中表现优异的模型,若在高并发 ...
2025-10-15