R Academy · บทเรียน

การเขียนโมเดล Stan ใน R

กำหนดบล็อกข้อมูล พารามิเตอร์ และบล็อกโมเดลด้วยไวยากรณ์ของ Stan

บทเรียน 2 จาก 413 ขั้นตอน

การเขียนโมเดล Stan ใน R เป็นบทเรียน R Academy ฟรีบน CoddyKit นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน คุณสามารถอ่านบทเรียนทั้งหมดด้านล่างฟรี — จากนั้นลองปฏิบัติด้วยตัวคุณเองในเบราว์เซอร์พร้อมตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 บทเรียนนี้เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางการเรียน R Academy และความก้าวหน้าของคุณจะซิงค์ข้ามเว็บและแอป CoddyKit คอร์ส R Academy มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน

Stan คืออะไร

Stan เป็นภาษาโปรแกรมเชิงความน่าจะเป็นสำหรับการสร้างแบบจำลองทางสถิติแบบเบย์ RStan คือส่วนเชื่อมต่อจาก R ไปยัง Stan คุณเขียนแบบจำลองด้วยภาษาของ Stan (คล้าย C++) จากนั้น Stan จะคอมไพล์เป็นโค้ด C++ ที่มีประสิทธิภาพและเรียกใช้การสุ่มตัวอย่างแบบมอนติคาร์โลแฮมิลโทเนียน (HMC) เพื่อประมาณการแจกแจงภายหลัง

# Stan installation check
library(rstan)

# Check version
cat('RStan version:', as.character(packageVersion('rstan')), '\n')

# Enable parallel chains
options(mc.cores = parallel::detectCores())

# Reuse compiled models across sessions
rstan_options(auto_write = TRUE)

cat('Stan ready. Cores:', parallel::detectCores(), '\n')

โครงสร้างแบบจำลองของ Stan

แบบจำลอง Stan มีบล็อกที่ตั้งชื่อได้สูงสุดหกบล็อก ได้แก่ data, transformed data, parameters, transformed parameters, model และ generated quantities บล็อกสำคัญสามบล็อกคือ data, parameters และ model

library(rstan)

# Stan model as a character string in R
stan_code <- '
data {
  int<lower=0> N;       // number of observations
  vector[N] x;          // predictor
  vector[N] y;          // response
}
parameters {
  real alpha;           // intercept
  real beta;            // slope
  real<lower=0> sigma;  // noise (must be positive)
}
model {
  // Priors
  alpha ~ normal(0, 10);
  beta  ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(1);

  // Likelihood
  y ~ normal(alpha + beta * x, sigma);
}
'

cat('Stan model defined as a string in R\n')
cat('Blocks: data, parameters, model\n')

data{}: การประกาศข้อมูลนำเข้า

บล็อก data ประกาศข้อมูลภายนอกทั้งหมดที่แบบจำลองรับมาจาก R ชนิดข้อมูล ได้แก่ int, real, vector[N], matrix[M,N] และ array ข้อจำกัดอย่าง <lower=0> จะได้รับการตรวจสอบขณะทำงาน

library(rstan)

# Comprehensive data block examples
data_block_examples <- '
data {
  // Scalars
  int<lower=1> N;               // at least 1 observation
  int<lower=2> K;               // at least 2 groups

  // Constrained scalars
  real<lower=0, upper=1> rate;  // probability

  // Vectors
  vector[N] y;                  // continuous response
  array[N] int<lower=0, upper=1> z;  // binary outcomes

  // Matrix
  matrix[N, K] X;               // design matrix

  // Integer array
  array[N] int group;           // group membership 1..K
}
'

cat(data_block_examples)

บล็อก parameters{}: ประเภทพารามิเตอร์

บล็อก parameters ใช้ประกาศค่าที่ไม่ทราบซึ่ง Stan จะสุ่มตัวอย่าง ข้อจำกัดในบล็อกนี้จะกำหนดปริภูมิพารามิเตอร์ เช่น <lower=0> สำหรับปริมาณที่เป็นบวก และ <lower=0, upper=1> สำหรับความน่าจะเป็น Stan จะใช้การแก้ไขจาโคเบียนของความน่าจะเป็นลอการิทึมกับพารามิเตอร์ที่มีข้อจำกัดโดยอัตโนมัติ

library(rstan)

# Common parameter declarations
param_examples <- '
parameters {
  // Unconstrained
  real mu;                        // mean
  vector[K] beta;                 // regression coefficients

  // Positive (sigma, lambda, variance)
  real<lower=0> sigma;
  real<lower=0> lambda;

  // Probability
  real<lower=0, upper=1> theta;

  // Simplex (sums to 1, for mixture weights)
  simplex[K] pi;

  // Correlation matrix
  corr_matrix[K] Omega;

  // Cholesky factor of covariance
  cholesky_factor_cov[K] L_Sigma;
}
'
cat(param_examples)

บล็อก model{}: การแจกแจงก่อนและฟังก์ชันภาวะน่าจะเป็น

บล็อก model จะสะสมค่าลอการิทึมของการแจกแจงภายหลังด้วยไวยากรณ์ ~ (ตัวหนอน) นิพจน์ y ~ normal(mu, sigma) เป็นรูปย่อของการบวกค่าลอการิทึมของ PDF แบบปกติเข้าใน target คุณสามารถเขียนการเพิ่มค่าความน่าจะเป็นลอการิทึมอย่างชัดเจนได้ด้วย target += normal_lpdf(y | mu, sigma)

library(rstan)

model_block_example <- '
model {
  // --- Priors ---
  mu    ~ normal(0, 10);          // weakly informative
  sigma ~ cauchy(0, 2.5);         // half-Cauchy for scale
  beta  ~ normal(0, 1);           // standardised coefficients

  // --- Likelihood ---
  // Tilde notation (most common)
  y ~ normal(mu + X * beta, sigma);

  // Equivalent explicit notation:
  // target += normal_lpdf(y | mu + X * beta, sigma);

  // For loop (less common but valid)
  // for (i in 1:N)
  //   target += normal_lpdf(y[i] | mu, sigma);
}
'
cat(model_block_example)

การปรับแบบจำลองปกติอย่างง่าย

นี่คือลำดับการทำงานของ Stan แบบสมบูรณ์และกระชับ: กำหนดสตริงแบบจำลอง เตรียมรายการข้อมูล เรียกใช้ stan() และตรวจสอบผลลัพธ์ด้วย print() Stan จะคอมไพล์แบบจำลองในการเรียกใช้ครั้งแรกและเก็บไว้ในแคชสำหรับการเรียกใช้ครั้งถัดไป

library(rstan)

# Stan model: estimate mean and SD of a normal distribution
normal_model <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real mu;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  mu    ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.1);
  y     ~ normal(mu, sigma);
}
'

# Simulate data
set.seed(42)
y_data <- rnorm(50, mean = 5, sd = 2)

# Fit the model
fit <- stan(
  model_code = normal_model,
  data       = list(N = length(y_data), y = y_data),
  chains     = 2,
  iter       = 1000,
  warmup     = 500,
  refresh    = 0  # suppress iteration output
)

print(fit, pars = c('mu', 'sigma'))

การถดถอยเชิงเส้นใน Stan

Stan ทำให้การถดถอยเชิงเส้นแบบเบย์ทำได้อย่างตรงไปตรงมา โดยกำหนดการแจกแจงก่อนแบบปกติให้กับสัมประสิทธิ์ และกำหนดการแจกแจงก่อนแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลหรือฮาล์ฟ-Cauchy ให้กับ sigma การแจกแจงภายหลังจะแสดงการกระจายของความไม่แน่นอนทั้งหมดสำหรับสัมประสิทธิ์แต่ละตัว ไม่ใช่เพียงค่าประมาณจุดเดียว

library(rstan)

lin_reg_model <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] x;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real alpha;
  real beta;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  alpha ~ normal(0, 10);
  beta  ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(1);
  y ~ normal(alpha + beta * x, sigma);
}
generated quantities {
  vector[N] y_rep;  // posterior predictive
  for (i in 1:N)
    y_rep[i] = normal_rng(alpha + beta * x[i], sigma);
}
'

set.seed(7)
n <- 80
x <- rnorm(n); y <- 2 + 3 * x + rnorm(n, 0, 1)

fit <- stan(model_code = lin_reg_model,
            data = list(N = n, x = x, y = y),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)
print(fit, pars = c('alpha', 'beta', 'sigma'))

บล็อกพารามิเตอร์ที่แปลงแล้ว{}

บล็อก transformed parameters ใช้คำนวณปริมาณที่ได้จากพารามิเตอร์ที่สุ่มตัวอย่าง ปริมาณเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการกำหนดพารามิเตอร์ของแบบจำลองให้มีเสถียรภาพทางตัวเลข เช่น การแยกแบบโชลสกีและการแปลงลอการิทึม โดยยังคงทำให้พารามิเตอร์หลักตีความได้ง่าย

library(rstan)

# Model with transformed parameters
trans_param_example <- '
data {
  int<lower=0> N;
  array[N] int<lower=0> y;  // counts
}
parameters {
  real log_lambda;           // work in log space for stability
}
transformed parameters {
  real<lower=0> lambda;
  lambda = exp(log_lambda);  // transform back to original scale
}
model {
  log_lambda ~ normal(1, 2);  // prior on log scale
  y ~ poisson(lambda);
}
'

set.seed(42)
y_counts <- rpois(30, lambda = 5)

fit_poisson <- stan(
  model_code = trans_param_example,
  data       = list(N = length(y_counts), y = y_counts),
  chains     = 2, iter = 1000, refresh = 0
)
print(fit_poisson, pars = c('log_lambda', 'lambda'))

บล็อกปริมาณที่สร้างขึ้น{}

บล็อก generated quantities จะทำงานหลังการสุ่มตัวอย่างเพื่อคำนวณปริมาณเพิ่มเติม เช่น ตัวอย่างการพยากรณ์จากการแจกแจงภายหลัง (y_rep) ค่าลอการิทึมของฟังก์ชันภาวะน่าจะเป็นสำหรับ LOO-CV หรือพารามิเตอร์ที่แปลงแล้วสำหรับสรุปผล ค่าที่อยู่ในบล็อกนี้จะถูกสุ่มจากการแจกแจงการพยากรณ์ภายหลัง

library(rstan)

# Use generated quantities for posterior predictive checks
model_with_gq <- '
data {
  int<lower=0> N;
  vector[N] y;
}
parameters {
  real mu;
  real<lower=0> sigma;
}
model {
  mu    ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.5);
  y     ~ normal(mu, sigma);
}
generated quantities {
  vector[N] y_rep;           // replicated datasets
  real mean_y_rep;           // mean of replicated data
  for (i in 1:N)
    y_rep[i] = normal_rng(mu, sigma);
  mean_y_rep = mean(y_rep);
}
'

set.seed(1)
y_obs <- rnorm(40, 3, 1.5)
fit <- stan(model_code = model_with_gq,
            data = list(N = length(y_obs), y = y_obs),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)
print(fit, pars = c('mu', 'sigma', 'mean_y_rep'))

การส่งข้อมูลจาก R ไปยัง Stan

อาร์กิวเมนต์ data ของ stan() คือรายการ R ที่มีชื่อกำกับ ชื่อต่าง ๆ ต้องตรงกับชื่อตัวแปรที่ประกาศไว้ในบล็อก data{} ของ Stan ทุกประการ เวกเตอร์จะกลายเป็น vector[N] ใน Stan จำนวนเต็มจะกลายเป็น int และเมทริกซ์ R จะกลายเป็น matrix[M,N] ใน Stan

library(rstan)

# Data preparation: names must match Stan data block exactly
set.seed(42)
n <- 60
x1 <- rnorm(n)
x2 <- rnorm(n)
y  <- 1.5 + 2 * x1 - 0.8 * x2 + rnorm(n, 0, 0.5)

# Build the design matrix
X <- cbind(x1, x2)  # 60 x 2 matrix

# Named list passed to stan(data = ...)
stan_data <- list(
  N = n,          # int
  K = ncol(X),    # int
  X = X,          # matrix[N, K]
  y = y           # vector[N]
)

cat('Stan data list elements:\n')
for (nm in names(stan_data)) {
  cat(' ', nm, ': class =', class(stan_data[[nm]]),
      'dim =', paste(dim(stan_data[[nm]]), collapse = 'x'),
      '\n')
}

การดูแบบจำลองที่คอมไพล์แล้ว

หลังจากปรับแบบจำลองแล้ว ให้ใช้ print(fit) เพื่อดูสรุปการแจกแจงภายหลัง (ค่าเฉลี่ย se_mean sd ควอนไทล์ Rhat และ n_eff) ของพารามิเตอร์ทั้งหมด ใช้ stan_plot(fit) เพื่อสร้างกราฟช่วงค่า และใช้ traceplot(fit) เพื่อประเมินการผสมกันของสายโซ่

library(rstan)

# Reuse the simple normal model from scene 6
normal_model <- '
data { int<lower=0> N; vector[N] y; }
parameters { real mu; real<lower=0> sigma; }
model {
  mu ~ normal(0, 10);
  sigma ~ exponential(0.1);
  y ~ normal(mu, sigma);
}
'

set.seed(5)
fit <- stan(model_code = normal_model,
            data = list(N = 50, y = rnorm(50, 7, 3)),
            chains = 2, iter = 1000, refresh = 0)

# Detailed summary table
print(fit)

# Extract as data frame
posterior_df <- as.data.frame(fit)
cat('\nPosterior samples shape:', nrow(posterior_df),
    'rows x', ncol(posterior_df), 'cols\n')

ตรวจสอบอย่างรวดเร็ว

ในแบบจำลอง Stan หากต้องการกำหนดให้พารามิเตอร์มีค่าเป็นบวกอย่างเคร่งครัด เช่น ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน ควรประกาศแบบใด

ทบทวน: การเขียนแบบจำลอง Stan

ประเด็นสำคัญ:

  • แบบจำลอง Stan มีสามบล็อกหลัก ได้แก่ data{}, parameters{} และ model{}
  • ข้อจำกัด: <lower=0>, <upper=1> และ <lower=0, upper=1> สำหรับความน่าจะเป็น
  • ชนิดข้อมูล: int, real, vector[N], matrix[M,N] และ simplex[K]
  • บล็อกแบบจำลอง: ใช้ไวยากรณ์ตัวหนอน y ~ normal(mu, sigma) สำหรับการแจกแจงก่อนและฟังก์ชันภาวะน่าจะเป็น
  • ใช้ transformed parameters{} สำหรับปริมาณที่ได้จากการคำนวณ และ generated quantities{} สำหรับการคำนวณหลังการสุ่มตัวอย่าง
  • ส่งข้อมูลเป็นรายการ R ที่มีชื่อกำกับ โดยชื่อต้องตรงกับชื่อบล็อกของ Stan ทุกประการ
  • rstan_options(auto_write = TRUE) ใช้เก็บแบบจำลองที่คอมไพล์แล้วไว้ในแคช
library(rstan)

# Stan model skeleton
model_skeleton <- '
data    { int N; vector[N] y; }
parameters { real mu; real<lower=0> sigma; }
model   { mu ~ normal(0,10); sigma ~ exponential(1); y ~ normal(mu, sigma); }
'
cat(model_skeleton)
cat('\nFit with: stan(model_code = model_skeleton, data = list(N=..., y=...), chains=4)\n')
เริ่มต้นได้ฟรี

เรียนรู้ R ด้วย AI tutor — ฟรี

เขียนและเรียกใช้โค้ดจริงในเบราว์เซอร์ของคุณ รับความช่วยเหลือทันทีจาก AI tutor 24/7 และเรียนรู้ต่อจากที่คุณหยุดบนเว็บหรือในแอป

คอร์ส
43
บทเรียน
159

คำถามที่พบบ่อย

บทเรียน “การเขียนโมเดล Stan ใน R” ฟรีหรือไม่

ใช่ — ข้อความเต็มของ “การเขียนโมเดล Stan ใน R” ฟรีให้อ่านที่นี่บนเว็บ เพื่อปฏิบัติแบบโต้ตอบ (ตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7) และปลดล็อคส่วนที่เหลือของคอร์ส R Academy ให้อัปเกรดเป็น CoddyKit PRO คอร์ส R Academy มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน

คุณจะเรียนรู้อะไรในบทเรียน “การเขียนโมเดล Stan ใน R”

กำหนดบล็อกข้อมูล พารามิเตอร์ และบล็อกโมเดลด้วยไวยากรณ์ของ Stan คุณปฏิบัติ R Academy ด้วยโค้ดที่ใช้งานได้จริงที่คุณเรียกใช้โดยตรงในเบราว์เซอร์ และติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 ตอบคำถามของคุณขณะที่คุณไปผ่านบทเรียน

คุณต้องมีประสบการณ์ก่อนที่จะเริ่มเรียน R Academy หรือไม่

ไม่จำเป็นต้องมีประสบการณ์มาก่อน R Academy บน CoddyKit ออกแบบมาสำหรับผู้เริ่มต้นไปจนถึงผู้เรียนขั้นสูง คุณสามารถเริ่มต้นที่นี่หรือเริ่มจากตัวแรกและเรียนด้วยความเร็วของคุณเอง นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน

บทเรียน “การเขียนโมเดล Stan ใน R” ใช้เวลานานแค่ไหน

บทเรียน CoddyKit ส่วนใหญ่ใช้เวลาประมาณ 5–10 นาที แต่ละบทเรียนจึงสั้นและเป็นแบบโต้ตอบ คุณสามารถก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องและกลับมาเรียนต่อจากตรงที่เพิ่งหยุดบนเว็บและแอปได้เลย

ฉันเขียนและรันโค้ดในบทเรียน R Academy นี้ได้ไหม

ได้ บทเรียน R Academy ทุกบทมีตัวแก้ไขโค้ดในตัว คุณจึงเขียนและรันโค้ดจริงได้เลยในเบราว์เซอร์ และได้รับข้อเสนอแนะจาก AI ในทันที — ไม่ต้องติดตั้งในเครื่องของคุณ

บทเรียนทั้งหมดในหลักสูตรนี้

  1. แนะนำแนวคิดแบบเบย์
  2. การเขียนโมเดล Stan ใน R
  3. การสุ่มตัวอย่าง MCMC และการวินิจฉัย
  4. การตรวจสอบการทำนายภายหลัง
← กลับไปที่ R Academy