Learn R: As a Language

365 Pages·2020·9.24 MB·

by  Pedro J. Aphalo

Learn R
Chapman & Hall/CRC

The R Series

Series Editors
John M. Chambers, Department of Statistics, Stanford University,
California, USA
Torsten Hothorn, Division of Biostatistics, University of Zurich,
Switzerland
Duncan Temple Lang, Department of Statistics, University of California,
Davis, USA
Hadley Wickham, RStudio, Boston, Massachusetts, USA

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Using GAMLSS in R
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Bradley Boehmke and Brandon Greenwell

Statistical Inference via Data Science
A ModernDive into R and the Tidyverse
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Reproducible Research with R and RStudio, Third Edition
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Interactive Web-Based Data Visualization with R, plotly, and shiny
Carson Sievert

Learn R
Pedro J. Aphalo

For more information about this series, please visit: https://www.crcpress.com/Chapman-
-HallCRC-The-R-Series/book-series/CRCTHERSER
Learn R

As a Language

Pedro J. Aphalo
First edition published 2020
by CRC Press
6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742

and by CRC Press
2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon, OX14 4RN

© 2020 Taylor & Francis Group, LLC

CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, LLC

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ISBN: 978-0-367-18253-3 (pbk)
ISBN: 978-0-367-18255-7 (hbk)
ISBN: 978-0-429-06034-2 (ebk)
Contents

Preface xi

1 R: The language and the program 1

1.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.1 What is R? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.2 R as a language. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.3 R as a computer program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2.3.1 Using R interactively . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3.2 Using R in a “batch job” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.3.3 Editors and IDEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Reproducible data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Finding additional information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.1 R’s built-in help . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4.2 Obtaining help from online forums . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.2.1 Netiquette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4.2.2 StackOverflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4.2.3 Reporting bugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5 What is needed to run the examples in this book? . . . . . . . . . . . . 14

1.6 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 The R language: “Words” and “sentences” 17

2.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Natural and computer languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Numeric values and arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4 Logical values and Boolean algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5 Comparison operators and operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6 Sets and set operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.7 Character values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.8 The ‘mode’ and ‘class’ of objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.9 ‘Type’ conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.10Vector manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.11Matrices and multidimensional arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.12Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.13Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.13.1Member extraction and subsetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.13.2Adding and removing list members . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.13.3Nested lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.14Data frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

v
vi Contents
2.14.1Operating within data frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.14.2Re-arranging columns and rows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.15Attributes of R objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.16Saving and loading data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.16.1Data sets in R and packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.16.2.rda files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.16.3.rds files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2.17Looking at data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.18Plotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.19Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3 The R language: “Paragraphs” and “essays” 87

3.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2 Writing scripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2.1 What is a script? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.2.2 How do we use a script? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.2.3 How to write a script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.2.4 The need to be understandable to people . . . . . . . . . . . . . 90

3.2.5 Debugging scripts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.3 Control of execution flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.3.1 Compound statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.3.2 Conditional execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.3.2.1 Non-vectorized if, else and switch . . . . . . . . . . . 95

3.3.2.2 Vectorized ifelse() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.3.3 Iteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.3.3.1 for loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.3.3.2 while loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.3.3.3 repeat loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.4 Explicit loops can be slow in R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3.5 Nesting of loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.3.5.1 Clean-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

3.4 Apply functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.4.1 Applying functions to vectors and lists . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.4.2 Applying functions to matrices and arrays . . . . . . . . . . . . 111

3.5 Object names and character strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.6 The multiple faces of loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.6.1 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4 The R language: Statistics 119

4.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.2 Statistical summaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.3 Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.3.1 Density from parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.3.2 Probabilities from parameters and quantiles . . . . . . . . . . . 122

4.3.3 Quantiles from parameters and probabilities . . . . . . . . . . . 122

4.3.4 “Random” draws from a distribution . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.4 “Random” sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.5 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Contents vii

4.5.1 Pearson’s 𝑟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.5.2 Kendall’s 𝜏 and Spearman’s 𝜌 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.6 Fitting linear models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.6.1 Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.6.2 Analysis of variance, ANOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.6.3 Analysis of covariance, ANCOVA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.7 Generalized linear models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.8 Non-linear regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.9 Model formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

4.10Time series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.11Multivariate statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.11.1Multivariate analysis of variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.11.2Principal components analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

4.11.3Multidimensional scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.11.4Cluster analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.12Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

5 The R language: Adding new “words” 163

5.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

5.2 Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

5.2.1 Sharing of R-language extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

5.2.2 How packages work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

5.2.3 Download, installation and use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.2.4 Finding suitable packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.3 Defining functions and operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.3.1 Ordinary functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

5.3.2 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.4 Objects, classes, and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5.5 Scope of names . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.6 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6 New grammars of data 179

6.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.3 Packages used in this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

6.4 Replacements for data.frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

6.4.1 ‘data.table’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

6.4.2 ‘tibble’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

6.5 Data pipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.5.1 ‘magrittr’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.5.2 ‘wrapr’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.6 Reshaping with ‘tidyr’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

6.7 Data manipulation with ‘dplyr’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.7.1 Row-wise manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.7.2 Group-wise manipulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

6.7.3 Joins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

6.8 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
viii Contents
7 Grammar of graphics 203

7.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

7.2 Packages used in this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

7.3 Introduction to the grammar of graphics . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

7.3.1 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7.3.2 Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7.3.3 Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7.3.4 Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

7.3.5 Scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.3.6 Coordinate systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.3.7 Themes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

7.3.8 Plot construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

7.3.9 Plots as R objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

7.3.10Data and mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

7.4 Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

7.4.1 Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

7.4.2 Rug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

7.4.3 Line and area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

7.4.4 Column . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

7.4.5 Tiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

7.4.6 Simple features (sf) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

7.4.7 Text. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

7.4.8 Plot insets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

7.5 Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

7.5.1 Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

7.5.2 Summaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

7.5.3 Smoothers and models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

7.5.4 Frequencies and counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

7.5.5 Density functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

7.5.6 Box and whiskers plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

7.5.7 Violin plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

7.6 Facets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

7.7 Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

7.7.1 Axis and key labels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

7.7.2 Continuous scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

7.7.2.1 Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

7.7.2.2 Ticks and their labels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

7.7.2.3 Transformed scales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

7.7.2.4 Position of 𝑥 and 𝑦 axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

7.7.2.5 Secondary axes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

7.7.3 Time and date scales for 𝑥 and 𝑦 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

7.7.4 Discrete scales for 𝑥 and 𝑦 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

7.7.5 Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.7.6 Color and fill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.7.6.1 Color definitions in R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

7.7.7 Continuous color-related scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

7.7.8 Discrete color-related scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Contents ix
7.7.9 Identity scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

7.8 Adding annotations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

7.9 Coordinates and circular plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

7.9.1 Wind-rose plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

7.9.2 Pie charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

7.10Themes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.10.1Complete themes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.10.2Incomplete themes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.10.3Defining a new theme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

7.11Composing plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

7.12Using plotmath expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

7.13Creating complex data displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

7.14Creating sets of plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

7.14.1 Saving plot layers and scales in variables . . . . . . . . . . . . . 288

7.14.2Saving plot layers and scales in lists. . . . . . . . . . . . . . . . . 289

7.14.3Using functions as building blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

7.15Generating output files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

7.16Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

8 Data import and export 293

8.1 Aims of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

8.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

8.3 Packages used in this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

8.4 File names and operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

8.5 Opening and closing file connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

8.6 Plain-text files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

8.6.1 Base R and ‘utils’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

8.6.2 readr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

8.7 XML and HTML files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.7.1 ‘xml2’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.8 GPX files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

8.9 Worksheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.9.1 CSV files as middlemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.9.2 ‘readxl’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.9.3 ‘xlsx’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

8.9.4 ‘readODS’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

8.10Statistical software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

8.10.1foreign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

8.10.2haven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

8.11NetCDF files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

8.11.1ncdf4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

8.11.2tidync . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

8.12Remotely located data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

8.13Data acquisition from physical devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.13.1jsonlite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.14Databases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

8.15Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326