在ggplot的geom_smooth中使用多个span值

在ggplot2库中的geom_smooth函数中，span参数用于控制平滑曲线的平滑程度。span的值决定了局部加权回归（LOESS）中使用的邻域大小。较小的span值会产生更灵活的曲线，而较大的span值会产生更平滑的曲线。

基础概念

局部加权回归（LOESS）：一种非参数回归方法，通过在每个预测点附近拟合一个局部回归模型来平滑数据。
Span：定义了每个预测点周围用于拟合局部模型的数据点的比例。

类型与应用场景

单一Span值：适用于数据趋势相对一致的情况。
多个Span值：适用于数据中存在多个不同趋势的情况，可以通过在不同的区间使用不同的span值来更好地捕捉这些趋势。

示例代码

假设我们有一个数据集，其中包含两个不同的趋势区域，我们可以使用不同的span值来分别处理这两个区域。

library(ggplot2)

# 生成示例数据
set.seed(123)
x <- seq(0, 10, length.out = 100)
y <- c(sin(x[1:50]), cos(x[51:100])) + rnorm(100, sd = 0.1)
df <- data.frame(x = x, y = y)

# 使用不同的span值绘制平滑曲线
ggplot(df, aes(x = x, y = y)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(span = 0.3, method = "loess", se = FALSE, color = "blue", linetype = "dashed", size = 1) +
  geom_smooth(span = 0.7, method = "loess", se = FALSE, color = "red", linetype = "dotted", size = 1) +
  labs(title = "Multiple Span Values in geom_smooth",
       x = "X-axis",
       y = "Y-axis")

解释

蓝色虚线：使用span = 0.3，表示在较小的邻域内进行平滑，适用于捕捉局部细节。
红色点线：使用span = 0.7，表示在较大的邻域内进行平滑，适用于捕捉整体趋势。

遇到的问题及解决方法

问题：在不同的数据区间使用不同的span值时，可能会遇到曲线不连续的问题。

解决方法：

分段平滑：将数据分成多个区间，并在每个区间内分别使用不同的span值进行平滑。
手动调整：通过观察数据和绘制的曲线，手动调整span值以达到最佳的平滑效果。

# 分段平滑示例
ggplot(df, aes(x = x, y = y)) +
  geom_point() +
  geom_smooth(data = subset(df, x < 5), span = 0.3, method = "loess", se = FALSE, color = "blue") +
  geom_smooth(data = subset(df, x >= 5), span = 0.7, method = "loess", se = FALSE, color = "red") +
  labs(title = "Segmented Smoothing with Different Span Values",
       x = "X-axis",
       y = "Y-axis")

通过这种方式，可以在不同的数据区间内分别应用不同的span值，从而更好地捕捉数据的局部和整体趋势。