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title: "統計データ解析I"
subtitle: "第12講 練習問題 解答例"
date: "`r Sys.time()`"
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## 準備

以下で利用する共通パッケージを読み込む．

```{r}
library(conflicted)  # 関数名の衝突を警告
conflicts_prefer(    # 優先的に使う関数を指定
    dplyr::filter(),
    dplyr::select(),
    dplyr::lag(),
    )
library(tidyverse)
#' 日本語を用いるので macOS ではフォントの設定を行う
if(Sys.info()["sysname"] == "Darwin") { # macOS か調べて日本語フォントを指定
    theme_update(text = element_text(family = "HiraginoSans-W4"))
    update_geom_defaults("text", list(family = theme_get()$text$family))
    update_geom_defaults("label", list(family = theme_get()$text$family))}
```

## 一元配置分散分析

### 問題

一元配置分散分析について確率シミュレーションを行いなさい．

### 解答例

人工データにより一元配置分散分析の Monte-Carlo 実験を行う．

A,B,Cの3つの水準をもつデータを考える．

```{r}
fact <- as.factor(rep(LETTERS[1:3], c(10,8,12))) # 因子(水準A,B,Cが10,8,12個)
toy_data0 <- # 平均が全て等しい場合 (帰無仮説が正しい例)
    tibble(factor = fact,                                 # 水準
           value = rnorm(length(fact), mean = 3, sd = 2)) # 観測値
```

データの状況を図示する．

```{r}
toy_data0 |>
    ggplot(aes(x = factor, y = value)) +
    geom_boxplot(fill = "pink") +
    geom_jitter(colour = "red", width = 0.2) +
    labs(title = "帰無仮説が正しい場合")
```

水準ごとの平均にずれのある対立仮説の例を作成する．

```{r}
alt <- rep(c(1,-1,1), c(10,8,12)) # 水準ごとの平均のずれ
toy_data1 <- # 平均が水準ごとに異なる場合(対立仮説が正しい例)
    tibble(factor = fact,                                       # 水準
           value = rnorm(length(fact), mean = 3, sd = 2) + alt) # 観測値
```

同様に図示する．

```{r}
toy_data1 |>
    ggplot(aes(x = factor, y = value)) +
    geom_boxplot(fill = "lightblue") +
    geom_jitter(colour = "blue", width = 0.2) +
    labs(title = "帰無仮説が誤りの場合")
```

これらの2つのデータに対して分散分析を行う． 帰無仮説が正しい場合は以下のようになる．

```{r}
aov(value ~ factor, data = toy_data0) 
aov(value ~ factor, data = toy_data0) |>
    broom::tidy() # 分散分析表
```

帰無仮説が誤り，すなわち対立仮説が正しい場合は以下のようになる．

```{r}
aov(value ~ factor, data = toy_data1) 
aov(value ~ factor, data = toy_data1) |>
    broom::tidy() # 分散分析表
```

::: callout-note
関数 `aov()` のようにデータが第1引数でない場合にパイプ演算子を使うには `_` (placeholder) を使って位置を明示すればよい．

```{r}
toy_data0 |> aov(value ~ factor, data = _) 
toy_data0 |>
    aov(value ~ factor, data = _) |>
    broom::tidy()
```
:::

Monte-Carlo 実験を行う． まず，試行のための関数を作成する．

```{r}
mc_trial <- function(h0 = TRUE){
    if(h0) { # 帰無仮説が正しい場合
        tmp <-
            tibble(factor = fact,
                   value = rnorm(length(fact), mean = 3, sd = 2)) |>
            aov(value ~ factor, data = _) |> broom::tidy()
    } else { # 対立仮説が正しい場合
        tmp <- 
            tibble(factor = fact, # 水準ごとに平均が異なる
                   value = rnorm(length(fact), mean = 3, sd = 2) + alt) |>
            aov(value ~ factor, data = _) |> broom::tidy()
    }
	#' 分散分析表における factor 行の統計量とp値を返す
    return(c(statistic = tmp[1,5, drop = TRUE],
             p.value   = tmp[1,6, drop = TRUE]))
    #' 以下のように書いても良い
    #' return(tmp |> select(5:6) |> t() |> _[,1])
}
```

帰無仮説が正しい場合のF統計量およびp値の分布を調べる． この場合，p値は一様分布になることに注意する．

```{r}
replicate(2000, mc_trial()) |>
    t() |> as_tibble() |> pivot_longer(everything()) |> # 描画用に変形
    ggplot(aes(x = value, fill = name)) +
    geom_histogram(show.legend = FALSE) +
    facet_wrap(vars(name), ncol = 2, scales = "free") + # それぞれ個別の座標で描画
    labs(title = "帰無仮説が正しい場合")
```

対立仮説が正しい場合のF統計量およびp値の分布を調べる． この場合，p値は小さな値に偏ることが確認できる．

```{r}
replicate(2000, mc_trial(h0 = FALSE)) |>
    t() |> as_tibble() |> pivot_longer(everything()) |> 
    ggplot(aes(x = value, fill = name)) +
    geom_histogram(show.legend = FALSE) +
    facet_wrap(vars(name), ncol = 2, scales = "free") + 
    labs(title = "帰無仮説が誤りの場合")
```

### 問題

東京の気候データ (`tokyo_weather.csv`) の 気温の項目について以下の問に答えよ．

-   曜日ごとの気温の平均と分散を求めよ．
-   曜日ごとに平均が異なるといえるかどうか分散分析を用いて検定しなさい．

::: callout-note
週日を因子(factor)とするには例えば以下のような項目を加えればよい．

```{r}
#| eval: false
tw_data <- read_csv("data/tokyo_weather.csv") |>
    mutate(day_of_week = ordered(day_of_week, # 曜日を順序付き因子にする
                                 levels = wday(1:7, label = TRUE))) 
```

関数 `lubridate::wday()` の出力は使用言語に依存するので， 強制的に英語にするには `locale` を指定して `wday(..., locale = "en_US")` とすれば良い． 省略形を用いない場合は `abbr` を指定する． 以下はドイツ語の例．

```{r}
#| eval: false
wday(1:7, label = TRUE, abbr = FALSE, locale = "de_DE")
```

利用可能な言語を調べるには `stringi::stri_locale_list()` を用いる．
:::

### 解答例

気候データにおいて 曜日ごとの気温に差があるか否かを分散分析を用いて調べる．

データを読み込み，整理する．

```{r}
tw_data <- read_csv("data/tokyo_weather.csv") |>
    mutate(day_of_week = ordered(day_of_week, # 曜日を順序付き因子にする
                                 levels = wday(1:7, label = TRUE))) 
```

曜日ごとの分布を見るとともに平均・分散(標準偏差)を確認する．

```{r}
tw_data |>
    ggplot(aes(x = day_of_week, y = temp)) +
    geom_boxplot(fill = "lavender") +
    labs(x = "曜日", y = "気温", title = "曜日ごとの気温の分布") 
tw_data |>
    group_by(day_of_week) |>
    summarize(across(temp, list(mean = mean,
                                var = var,
                                sd = sd)))
```

曜日ごとの気温差に関する分散分析を行う．

```{r}
aov(temp ~ day_of_week, data = tw_data) # aovによる分析
aov(temp ~ day_of_week, data = tw_data) |>
    summary() # 分散分析表の表示(棄却されない)
aov(temp ~ day_of_week, data = tw_data) |>
    broom::tidy() # 分散分析表のデータフレーム (行・列の番号で必要な情報が取得できる)
aov(temp ~ day_of_week, data = tw_data) |>
    model.tables(type = "means")   # 水準(曜日)ごとの平均値
aov(temp ~ day_of_week, data = tw_data) |>
    model.tables(type = "effects") # 水準(曜日)ごとの効果
```

検定のみ実行する場合は，関数 `oneway.test()` を用いることができる．

級内の分散が等しいことを仮定する場合は以下のように指定する．

```{r}
oneway.test(temp ~ day_of_week, data = tw_data, var.equal = TRUE) 
```

級内の分散が等しいことが仮定できない場合はWelchの近似法による検定が行われる．

```{r}
oneway.test(temp ~ day_of_week, data = tw_data) 
```

月ごとの気温に差があるか否かを分散分析で検証する． 図示した結果から棄却されることが予想される．

```{r}
tw_data <- tw_data |> mutate(month = as_factor(month)) # 月を因子化
tw_data |>
    ggplot(aes(x = month, y = temp)) +
    geom_boxplot(fill = "lavender") +
    labs(x = "月", y = "気温", title = "月ごとの気温の分布") 
aov(temp ~ month, data = tw_data) |>
    summary() # 分散分析表の表示(棄却される)
```

::: callout-note
曜日の因子化などは `package::lubridate` に含まれる関数が利用できる．

曜日の文字列を得る方法には以下のものがある．

```{r}
wday(1:7, label = TRUE) # 省略名
wday(1:7, label = TRUE, abbr = FALSE) # 正式名
wday(2:8, label = TRUE) # 月曜から始まる文字列を得る場合
wday(1:7, label = TRUE, week_start = 1) # 順序を月曜から始める場合
```

日付から曜日を得る方法は例えば以下のようにすれば良い．

```{r}
tw_data |>
    mutate(date = as_date(paste(year,month,day, sep = "-")), # 日付に変換
           weekday = wday(date, label = TRUE), # 日付から曜日(順序付因子)を追加
           .before = year) # year列の前に付加
```
:::

## 二元配置分散分析

### 問題

`package::datarium` に含まれている `jobsatisfaction` データ (性別 (`gender`) と 学歴 (`education_level`) の違いによる 仕事の満足度 (`score`) を収集したデータ) について以下の問に答えよ．

-   データを適当な方法で可視化しなさい．
-   それぞれの因子で満足度の平均に違いがあるか，二元配置の分散分析を用いて検討しなさい．

::: callout-note
パッケージのインストールと読み込みは以下のように行うことができる．

```{r}
#| eval: false
install.packages("datarium") # インストール
library("datarium") # 読み込み
```
:::

### 解答例

`datarium::jobsatisfaction` は 性別(`gender`)と学歴(`education_level`)による仕事の満足度(`score`)を集計したデータである． 二元配置分散分析を用いて満足度にそれぞれの因子の効果があるかを検証する．

必要であれば `package::datarium` をインストールし， パッケージの読み込みを行う．

```{r}
#' install.packages("datarium") # 検定用のデータが集められている
library("datarium") # packageの読み込み
jobsatisfaction     # データの内容を確認
```

データの視覚化を行う．

```{r}
jobsatisfaction |> # 学歴ごとに性別を比較
    ggplot(aes(x = education_level, y = score, fill = gender)) +
    geom_boxplot()
jobsatisfaction |> # 性別ごとに学歴を比較
    ggplot(aes(x = gender, y = score, fill = education_level)) +
    geom_boxplot()
```

二元配置分散分析を行い，結果をいくつかの方法で表示する．

```{r}
aov(score ~ gender + education_level, data=jobsatisfaction) |>
    summary()
aov(score ~ gender + education_level, data=jobsatisfaction) |>
    model.tables(type = "means")  
aov(score ~ gender + education_level, data=jobsatisfaction) |>
    model.tables(type = "effects")
```
