fit-drift-diffusion-model
정보
이 스킬은 Ratcliff 드리프트-확산 모델을 이진 의사결정 데이터에 맞추어, 반응 시간과 정확도로부터 드리프트 속도와 경계 분리 같은 인지 매개변수를 추정합니다. 모델 비교, 매개변수 회복 검증, 그리고 속도-정확도 상충관계를 잠재 구성 요소로 분해하는 기능을 제공합니다. 실험 심리학 데이터를 분석하거나 순차 표집 모델 변형들을 비교할 때 사용하세요.
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문서
擬 DDM
自反應時與正確率估 DDM 參、以分位估擬、較候變、以參復模擬驗估質。
用
- 以反應時模二擇決
- 自實數估認參(漂率、界隔、非決時)
- 較決任之序抽模變
- 驗 DDM 擬管復已知參值
- 解速正權衡為潛認素
入
- 必:含各試之正/誤標之反應時數
- 必:各試之受者與條件識
- 必:DDM 變擇(基 3 參、全 7 參、或層)
- 可:貝葉估之先(默:弱告)
- 可:參復之模數(默:100)
- 可:RT 濾界秒(默:0.1 至 5.0)
行
一:備反應時數
清並格原行數以擬 DDM。
- 載數並察受 ID、條件、RT、正確欄:
import pandas as pd
data = pd.read_csv("behavioral_data.csv")
required_columns = ["subject_id", "condition", "rt", "accuracy"]
assert all(col in data.columns for col in required_columns), \
f"Missing columns: {set(required_columns) - set(data.columns)}"
- 以可設界濾離群 RT:
rt_lower = 0.1 # seconds
rt_upper = 5.0 # seconds
n_before = len(data)
data = data[(data["rt"] >= rt_lower) & (data["rt"] <= rt_upper)]
n_removed = n_before - len(data)
print(f"Removed {n_removed} trials ({100*n_removed/n_before:.1f}%) outside [{rt_lower}, {rt_upper}]s")
- 各受與條件計摘統:
summary = data.groupby(["subject_id", "condition"]).agg(
n_trials=("rt", "count"),
mean_rt=("rt", "mean"),
accuracy=("accuracy", "mean")
).reset_index()
print(summary.describe())
- 驗最少試數(DDM 需足數於各格):
min_trials = summary["n_trials"].min()
assert min_trials >= 40, f"Minimum trials per cell is {min_trials}; need at least 40 for stable estimation"
得:已清數文無 RT 離群,各受-條件格至少 40 試,正確率於 0.50 與 0.99 間。
敗:試過少→考合條件或去缺數過者。正確頂(>0.99)或底(<0.55)→DDM 或不可識;察任難。
二:擇 DDM 變
依研問擇模繁。
- 定候模變:
model_variants = {
"basic": {
"params": ["v", "a", "t"],
"description": "Drift rate, boundary separation, non-decision time",
"free_params": 3
},
"full": {
"params": ["v", "a", "t", "z", "sv", "sz", "st"],
"description": "Basic + starting point bias, cross-trial variability",
"free_params": 7
},
"hddm": {
"params": ["v", "a", "t", "z"],
"description": "Hierarchical with group-level and subject-level parameters",
"free_params": "4 per subject + 8 group-level"
}
}
- 依數性擇:
| Criterion | Basic (3-param) | Full (7-param) | Hierarchical |
|---|---|---|---|
| Trials per cell | 40-100 | 200+ | 40+ (pooled) |
| Subjects | Any | Any | 10+ |
| Research goal | Group effects | Individual fits | Both levels |
| Error RT shape | Symmetric | Asymmetric | Either |
- 設所擇變:
selected_variant = "basic" # adjust based on criteria above
model_config = model_variants[selected_variant]
print(f"Selected: {selected_variant} ({model_config['free_params']} free parameters)")
print(f"Parameters: {', '.join(model_config['params'])}")
得:變已擇並有依試數、受數、研問之理。
敗:變間不確→自基始,唯殘診示系誤擬(如誤 RT 分不匹)時加繁。
三:估參
以極似或貝葉擬 DDM。
- MLE 擬用
fast-dm或 Pythonpyddm:
import pyddm
model = pyddm.Model(
drift=pyddm.DriftConstant(drift=pyddm.Fittable(minval=0, maxval=5)),
bound=pyddm.BoundConstant(B=pyddm.Fittable(minval=0.3, maxval=3.0)),
nondecision=pyddm.NonDecisionConstant(t=pyddm.Fittable(minval=0.1, maxval=0.5)),
overlay=pyddm.OverlayNonDecision(nondectime=pyddm.Fittable(minval=0.1, maxval=0.5)),
T_dur=5.0,
dt=0.001,
dx=0.001
)
- 貝葉估用 HDDM:
import hddm
hddm_model = hddm.HDDM(data, depends_on={"v": "condition"})
hddm_model.find_starting_values()
hddm_model.sample(5000, burn=1000, thin=2, dbname="traces.db", db="pickle")
- 取並存估參:
params = hddm_model.get_group_estimates()
print("Group-level parameter estimates:")
for param_name, stats in params.items():
print(f" {param_name}: {stats['mean']:.3f} [{stats['2.5q']:.3f}, {stats['97.5q']:.3f}]")
- 察收斂(僅貝葉):
from kabuki.analyze import gelman_rubin
convergence = gelman_rubin(hddm_model)
max_rhat = max(convergence.values())
print(f"Max Gelman-Rubin R-hat: {max_rhat:.3f}")
assert max_rhat < 1.1, f"Chains have not converged (R-hat = {max_rhat:.3f})"
得:參估含標誤或信區。貝葉:諸參 Gelman-Rubin R-hat < 1.1。漂率常 0.5-4.0、界 0.5-2.5、非決時 0.15-0.50s。
敗:估不收→試:(a) 緊參界,(b) 經網搜佳始值,(c) 長鏈多燒。MLE 碰界值→模或誤設。
四:估擬
以分位診較預測與察 RT 分。
- 自擬模生預 RT 分位:
import numpy as np
quantiles = [0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9]
predicted_rts = model.simulate(n_trials=10000)
pred_quantiles = np.quantile(predicted_rts[predicted_rts > 0], quantiles) # correct
pred_quantiles_err = np.quantile(np.abs(predicted_rts[predicted_rts < 0]), quantiles) # error
- 算察 RT 分位:
obs_correct = data[data["accuracy"] == 1]["rt"]
obs_error = data[data["accuracy"] == 0]["rt"]
obs_quantiles = np.quantile(obs_correct, quantiles)
obs_quantiles_err = np.quantile(obs_error, quantiles) if len(obs_error) > 10 else None
- 造分位-概圖(QP 圖):
import matplotlib.pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(8, 6))
ax.scatter(obs_quantiles, quantiles, marker="o", label="Observed (correct)")
ax.scatter(pred_quantiles, quantiles, marker="x", label="Predicted (correct)")
if obs_quantiles_err is not None:
ax.scatter(obs_quantiles_err, quantiles, marker="o", facecolors="none", label="Observed (error)")
ax.scatter(pred_quantiles_err, quantiles, marker="x", label="Predicted (error)")
ax.set_xlabel("RT (s)")
ax.set_ylabel("Quantile")
ax.legend()
ax.set_title("Quantile-Probability Plot")
fig.savefig("qp_plot.png", dpi=150)
- 算擬統(分位箱 chi 方):
from scipy.stats import chisquare
observed_proportions = np.diff(np.concatenate([[0], quantiles, [1]]))
predicted_proportions = np.diff(np.concatenate([[0], quantiles, [1]]))
chi2, p_value = chisquare(observed_proportions, predicted_proportions)
print(f"Chi-square fit: chi2={chi2:.3f}, p={p_value:.3f}")
得:QP 圖示預分位近察分位於正與誤 RT。chi 方試非顯(p > 0.05),擬足。
敗:模系漏快或慢分位→考加跨試變參(sv、st)。誤 RT 形誤→加起變(sz)。以擴模重擬。
五:較模
以信準於候 DDM 變間擇。
- 擬各候模並集擬統:
model_results = {}
for variant_name in ["basic", "full"]:
fitted_model = fit_ddm(data, variant=variant_name)
model_results[variant_name] = {
"log_likelihood": fitted_model.log_likelihood,
"n_params": fitted_model.n_free_params,
"bic": fitted_model.bic,
"aic": fitted_model.aic
}
- 算並較 BIC 值:
print("Model Comparison (BIC):")
print(f"{'Model':<15} {'LL':>10} {'k':>5} {'BIC':>12} {'delta_BIC':>12}")
print("-" * 55)
best_bic = min(r["bic"] for r in model_results.values())
for name, result in sorted(model_results.items(), key=lambda x: x[1]["bic"]):
delta = result["bic"] - best_bic
print(f"{name:<15} {result['log_likelihood']:>10.1f} {result['n_params']:>5} "
f"{result['bic']:>12.1f} {delta:>12.1f}")
- 以標引釋 BIC 差:
# BIC difference interpretation (Kass & Raftery, 1995):
# 0-2: Not worth mentioning
# 2-6: Positive evidence
# 6-10: Strong evidence
# >10: Very strong evidence
- 貝葉模用 DIC 或 WAIC:
dic = hddm_model.dic
print(f"DIC: {dic:.1f}")
得:模間明勝者 BIC 差 > 6,或差 < 2 時有理留簡模之決。
敗:模不可分(BIC 差 < 2)→偏簡模(省)。全模以大邊勝→確基模非因數議誤設。
六:以參復模擬驗
驗估管自模擬數復已知參值。
- 定真參網:
true_params = {
"v": [0.5, 1.0, 2.0, 3.0],
"a": [0.6, 1.0, 1.5, 2.0],
"t": [0.2, 0.3, 0.4]
}
- 各合模擬數並重估:
from itertools import product
recovery_results = []
n_simulated_trials = 500 # match empirical trial count
for v_true, a_true, t_true in product(true_params["v"], true_params["a"], true_params["t"]):
simulated_data = simulate_ddm(v=v_true, a=a_true, t=t_true, n=n_simulated_trials)
fitted = fit_ddm(simulated_data, variant="basic")
recovery_results.append({
"v_true": v_true, "v_est": fitted.params["v"],
"a_true": a_true, "a_est": fitted.params["a"],
"t_true": t_true, "t_est": fitted.params["t"]
})
- 算復統:
recovery_df = pd.DataFrame(recovery_results)
for param in ["v", "a", "t"]:
correlation = recovery_df[f"{param}_true"].corr(recovery_df[f"{param}_est"])
bias = (recovery_df[f"{param}_est"] - recovery_df[f"{param}_true"]).mean()
rmse = np.sqrt(((recovery_df[f"{param}_est"] - recovery_df[f"{param}_true"])**2).mean())
print(f"{param}: r={correlation:.3f}, bias={bias:.4f}, RMSE={rmse:.4f}")
- 生復散圖:
fig, axes = plt.subplots(1, 3, figsize=(15, 5))
for idx, param in enumerate(["v", "a", "t"]):
ax = axes[idx]
ax.scatter(recovery_df[f"{param}_true"], recovery_df[f"{param}_est"], alpha=0.5)
lims = [recovery_df[f"{param}_true"].min(), recovery_df[f"{param}_true"].max()]
ax.plot(lims, lims, "k--", label="Identity")
ax.set_xlabel(f"True {param}")
ax.set_ylabel(f"Estimated {param}")
ax.set_title(f"Recovery: {param} (r={recovery_df[f'{param}_true'].corr(recovery_df[f'{param}_est']):.3f})")
ax.legend()
fig.tight_layout()
fig.savefig("parameter_recovery.png", dpi=150)
得:諸參復相關 r > 0.85、偏近零(參域 < 5%)、RMSE 於用可接域。
敗:某參低復常意:(a) 試不足——增 n_simulated_trials;(b) 參權衡——漂與界可權衡;固一以試可復性;(c) 似然面平——考再參化或貝葉估以告先。
驗
- 入數含正類 RT 與正確欄
- 離群濾去 <10% 試
- 各受-條件格至少 40 試
- 參估於理域(v: 0-5、a: 0.3-3.0、t: 0.1-0.6)
- 收斷過(貝葉 R-hat < 1.1、MLE 梯近零)
- QP 圖示預分位距察分位 50ms 內
- 模較生明排或有理簡決
- 諸自參復相關逾 r = 0.85
- 復偏 <5% 參域
忌
- 試不足:DDM 估飢數。<40 試/格致估不穩、復劣。擬前必驗試數
- 忽誤 RT:DDM 聯模正與誤 RT 分。棄誤試失界與起之信
- 不濾速猜:<100ms RT 或為污(預應)。含則歪非決時估
- 混 DDM 變:基模設無跨試變。若誤 RT 系快於正→需全模含 sv 與 sz 參
- 全模過擬:7 參 DDM 可於稀數過擬。DDM 模擇用 BIC(罰繁)非 AIC
- 略參復:無復驗不能別估偏與真實驗效。釋條件差前必行復
參
analyze-diffusion-dynamics- DDM 下擴散程之數析implement-diffusion-network- 共前向程框之生擴散模design-experiment- 集 DDM 質數之實驗設write-testthat-tests- 於 R 試參估管
GitHub 저장소
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