root/library/bdm/stat/emix.h @ 549

Revision 549, 12.1 kB (checked in by vbarta, 15 years ago)

disabled implicit copy constructor & assignement operator of mprod

  • Property svn:eol-style set to native
RevLine 
[107]1/*!
2  \file
3  \brief Probability distributions for Mixtures of pdfs
4  \author Vaclav Smidl.
5
6  -----------------------------------
7  BDM++ - C++ library for Bayesian Decision Making under Uncertainty
8
9  Using IT++ for numerical operations
10  -----------------------------------
11*/
12
[394]13#ifndef EMIX_H
14#define EMIX_H
[107]15
[477]16#define LOG2  0.69314718055995
[333]17
[461]18#include "../shared_ptr.h"
[384]19#include "exp_family.h"
[107]20
[286]21namespace bdm {
[107]22
[182]23//this comes first because it is used inside emix!
24
25/*! \brief Class representing ratio of two densities
26which arise e.g. by applying the Bayes rule.
27It represents density in the form:
28\f[
29f(rv|rvc) = \frac{f(rv,rvc)}{f(rvc)}
30\f]
31where \f$ f(rvc) = \int f(rv,rvc) d\ rv \f$.
32
33In particular this type of arise by conditioning of a mixture model.
34
[211]35At present the only supported operation is evallogcond().
[182]36 */
37class mratio: public mpdf {
[192]38protected:
[182]39        //! Nominator in the form of mpdf
[192]40        const epdf* nom;
[504]41
[182]42        //!Denominator in the form of epdf
[504]43        shared_ptr<epdf> den;
44
[192]45        //!flag for destructor
46        bool destroynom;
[193]47        //!datalink between conditional and nom
48        datalink_m2e dl;
[487]49        //! dummy epdf that stores only rv and dim
50        epdf iepdf;
[192]51public:
52        //!Default constructor. By default, the given epdf is not copied!
[182]53        //! It is assumed that this function will be used only temporarily.
[487]54        mratio ( const epdf* nom0, const RV &rv, bool copy = false ) : mpdf ( ), dl ( ),iepdf() {
[286]55                // adjust rv and rvc
56                rvc = nom0->_rv().subt ( rv );
57                dimc = rvc._dsize();
[487]58                set_ep ( iepdf );
59                iepdf.set_parameters ( rv._dsize() );
60                iepdf.set_rv ( rv );
[477]61
[286]62                //prepare data structures
[477]63                if ( copy ) {
64                        it_error ( "todo" );
65                        destroynom = true;
66                } else {
67                        nom = nom0;
68                        destroynom = false;
69                }
70                it_assert_debug ( rvc.length() > 0, "Makes no sense to use this object!" );
71
[286]72                // build denominator
[192]73                den = nom->marginal ( rvc );
[477]74                dl.set_connection ( rv, rvc, nom0->_rv() );
[192]75        };
[211]76        double evallogcond ( const vec &val, const vec &cond ) {
[214]77                double tmp;
[487]78                vec nom_val ( dimension() + dimc );
[477]79                dl.pushup_cond ( nom_val, val, cond );
[214]80                tmp = exp ( nom->evallog ( nom_val ) - den->evallog ( cond ) );
81                return tmp;
[192]82        }
[182]83        //! Object takes ownership of nom and will destroy it
[477]84        void ownnom() {
85                destroynom = true;
86        }
[182]87        //! Default destructor
[477]88        ~mratio() {
89                if ( destroynom ) {
90                        delete nom;
91                }
92        }
[182]93};
94
[107]95/*!
96* \brief Mixture of epdfs
97
98Density function:
99\f[
100f(x) = \sum_{i=1}^{n} w_{i} f_i(x), \quad \sum_{i=1}^n w_i = 1.
101\f]
102where \f$f_i(x)\f$ is any density on random variable \f$x\f$, called \a component,
103
104*/
[145]105class emix : public epdf {
[162]106protected:
107        //! weights of the components
108        vec w;
109        //! Component (epdfs)
[504]110        Array<shared_ptr<epdf> > Coms;
111
[162]112public:
113        //!Default constructor
[286]114        emix ( ) : epdf ( ) {};
[182]115        //! Set weights \c w and components \c Coms
[224]116        //!By default Coms are copied inside. Parameter \c copy can be set to false if Coms live externally. Use method ownComs() if Coms should be destroyed by the destructor.
[504]117        void set_parameters ( const vec &w, const Array<shared_ptr<epdf> > &Coms );
[107]118
[162]119        vec sample() const;
120        vec mean() const {
[477]121                int i;
122                vec mu = zeros ( dim );
123                for ( i = 0; i < w.length(); i++ ) {
124                        mu += w ( i ) * Coms ( i )->mean();
125                }
[162]126                return mu;
127        }
[229]128        vec variance() const {
129                //non-central moment
[286]130                vec mom2 = zeros ( dim );
[477]131                for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
132                        mom2 += w ( i ) * ( Coms ( i )->variance() + pow ( Coms ( i )->mean(), 2 ) );
133                }
[229]134                //central moment
[477]135                return mom2 - pow ( mean(), 2 );
[229]136        }
[211]137        double evallog ( const vec &val ) const {
[162]138                int i;
139                double sum = 0.0;
[477]140                for ( i = 0; i < w.length(); i++ ) {
141                        sum += w ( i ) * exp ( Coms ( i )->evallog ( val ) );
142                }
143                if ( sum == 0.0 ) {
144                        sum = std::numeric_limits<double>::epsilon();
145                }
146                double tmp = log ( sum );
147                it_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite" );
[214]148                return tmp;
[162]149        };
[211]150        vec evallog_m ( const mat &Val ) const {
[477]151                vec x = zeros ( Val.cols() );
[192]152                for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
[477]153                        x += w ( i ) * exp ( Coms ( i )->evallog_m ( Val ) );
[182]154                }
[192]155                return log ( x );
[182]156        };
[214]157        //! Auxiliary function that returns pdflog for each component
[211]158        mat evallog_M ( const mat &Val ) const {
[192]159                mat X ( w.length(), Val.cols() );
160                for ( int i = 0; i < w.length(); i++ ) {
[211]161                        X.set_row ( i, w ( i ) *exp ( Coms ( i )->evallog_m ( Val ) ) );
[189]162                }
163                return X;
164        };
[107]165
[504]166        shared_ptr<epdf> marginal ( const RV &rv ) const;
[536]167        //! Update already existing marginal density  \c target
[504]168        void marginal ( const RV &rv, emix &target ) const;
169        shared_ptr<mpdf> condition ( const RV &rv ) const;
[182]170
[107]171//Access methods
[162]172        //! returns a pointer to the internal mean value. Use with Care!
[477]173        vec& _w() {
174                return w;
175        }
[204]176
[193]177        //!access function
[504]178        shared_ptr<epdf> _Coms ( int i ) {
[477]179                return Coms ( i );
[286]180        }
[504]181
[477]182        void set_rv ( const RV &rv ) {
183                epdf::set_rv ( rv );
184                for ( int i = 0; i < Coms.length(); i++ ) {
185                        Coms ( i )->set_rv ( rv );
186                }
187        }
[107]188};
[529]189SHAREDPTR( emix );
[107]190
[333]191/*!
192* \brief Mixture of egiws
193
194*/
195class egiwmix : public egiw {
196protected:
197        //! weights of the components
198        vec w;
199        //! Component (epdfs)
200        Array<egiw*> Coms;
201        //!Flag if owning Coms
202        bool destroyComs;
203public:
204        //!Default constructor
205        egiwmix ( ) : egiw ( ) {};
206
207        //! Set weights \c w and components \c Coms
208        //!By default Coms are copied inside. Parameter \c copy can be set to false if Coms live externally. Use method ownComs() if Coms should be destroyed by the destructor.
[477]209        void set_parameters ( const vec &w, const Array<egiw*> &Coms, bool copy = false );
[333]210
211        //!return expected value
212        vec mean() const;
213
214        //!return a sample from the density
215        vec sample() const;
216
217        //!return the expected variance
[477]218        vec variance() const;
[333]219
220        // TODO!!! Defined to follow ANSI and/or for future development
221        void mean_mat ( mat &M, mat&R ) const {};
[477]222        double evallog_nn ( const vec &val ) const {
223                return 0;
224        };
225        double lognc () const {
226                return 0;
[504]227        }
[333]228
[504]229        shared_ptr<epdf> marginal ( const RV &rv ) const;
230        void marginal ( const RV &rv, emix &target ) const;
231
[333]232//Access methods
233        //! returns a pointer to the internal mean value. Use with Care!
[477]234        vec& _w() {
235                return w;
236        }
237        virtual ~egiwmix() {
238                if ( destroyComs ) {
239                        for ( int i = 0; i < Coms.length(); i++ ) {
240                                delete Coms ( i );
241                        }
242                }
243        }
[333]244        //! Auxiliary function for taking ownership of the Coms()
[477]245        void ownComs() {
246                destroyComs = true;
247        }
[333]248
249        //!access function
[477]250        egiw* _Coms ( int i ) {
251                return Coms ( i );
252        }
[333]253
[477]254        void set_rv ( const RV &rv ) {
255                egiw::set_rv ( rv );
256                for ( int i = 0; i < Coms.length(); i++ ) {
257                        Coms ( i )->set_rv ( rv );
258                }
[333]259        }
260
261        //! Approximation of a GiW mix by a single GiW pdf
262        egiw* approx();
263};
264
[115]265/*! \brief Chain rule decomposition of epdf
266
[145]267Probability density in the form of Chain-rule decomposition:
268\[
269f(x_1,x_2,x_3) = f(x_1|x_2,x_3)f(x_2,x_3)f(x_3)
270\]
271Note that
[115]272*/
[507]273class mprod: public mpdf {
274private:
275        Array<shared_ptr<mpdf> > mpdfs;
276
[192]277        //! Data link for each mpdfs
[546]278        Array<shared_ptr<datalink_m2m> > dls;
[461]279
[546]280protected:
[487]281        //! dummy epdf used only as storage for RV and dim
282        epdf iepdf;
[461]283
[162]284public:
[507]285        //! \brief Default constructor
286        mprod() { }
287
288        /*!\brief Constructor from list of mFacs
[165]289        */
[507]290        mprod ( const Array<shared_ptr<mpdf> > &mFacs ) {
[477]291                set_elements ( mFacs );
[461]292        }
[536]293        //! Set internal \c mpdfs from given values
[507]294        void set_elements (const Array<shared_ptr<mpdf> > &mFacs );
[477]295
[211]296        double evallogcond ( const vec &val, const vec &cond ) {
[162]297                int i;
[270]298                double res = 0.0;
[477]299                for ( i = mpdfs.length() - 1; i >= 0; i-- ) {
[193]300                        /*                      if ( mpdfs(i)->_rvc().count() >0) {
301                                                        mpdfs ( i )->condition ( dls ( i )->get_cond ( val,cond ) );
302                                                }
303                                                // add logarithms
[270]304                                                res += epdfs ( i )->evallog ( dls ( i )->pushdown ( val ) );*/
305                        res += mpdfs ( i )->evallogcond (
306                                   dls ( i )->pushdown ( val ),
[204]307                                   dls ( i )->get_cond ( val, cond )
308                               );
[145]309                }
[193]310                return res;
[162]311        }
[477]312        vec evallogcond_m ( const mat &Dt, const vec &cond ) {
313                vec tmp ( Dt.cols() );
314                for ( int i = 0; i < Dt.cols(); i++ ) {
315                        tmp ( i ) = evallogcond ( Dt.get_col ( i ), cond );
[395]316                }
317                return tmp;
318        };
[477]319        vec evallogcond_m ( const Array<vec> &Dt, const vec &cond ) {
320                vec tmp ( Dt.length() );
321                for ( int i = 0; i < Dt.length(); i++ ) {
322                        tmp ( i ) = evallogcond ( Dt ( i ), cond );
[395]323                }
[477]324                return tmp;
[395]325        };
326
327
[270]328        //TODO smarter...
329        vec samplecond ( const vec &cond ) {
[477]330                //! Ugly hack to help to discover if mpfs are not in proper order. Correct solution = check that explicitely.
[487]331                vec smp = std::numeric_limits<double>::infinity() * ones ( dimension() );
[165]332                vec smpi;
[192]333                // Hard assumption here!!! We are going backwards, to assure that samples that are needed from smp are already generated!
[477]334                for ( int i = ( mpdfs.length() - 1 ); i >= 0; i-- ) {
[487]335                        // generate contribution of this mpdf
336                        smpi = mpdfs(i)->samplecond(dls ( i )->get_cond ( smp , cond ));                       
[162]337                        // copy contribution of this pdf into smp
[270]338                        dls ( i )->pushup ( smp, smpi );
[145]339                }
[162]340                return smp;
341        }
342
[395]343        //! Load from structure with elements:
344        //!  \code
345        //! { class='mprod';
346        //!   mpdfs = (..., ...);     // list of mpdfs in the order of chain rule
347        //! }
348        //! \endcode
349        //!@}
[477]350        void from_setting ( const Setting &set ) {
[527]351                Array<shared_ptr<mpdf> > atmp; //temporary Array
[507]352                UI::get ( atmp, set, "mpdfs", UI::compulsory );
[527]353                set_elements ( atmp );
[395]354        }
[477]355
[549]356private:
357        // not implemented
358        mprod ( const mprod & );
359        mprod &operator=( const mprod & );
[107]360};
[477]361UIREGISTER ( mprod );
[529]362SHAREDPTR ( mprod );
[107]363
[168]364//! Product of independent epdfs. For dependent pdfs, use mprod.
365class eprod: public epdf {
366protected:
367        //! Components (epdfs)
[170]368        Array<const epdf*> epdfs;
[168]369        //! Array of indeces
[270]370        Array<datalink*> dls;
[168]371public:
[536]372        //! Default constructor
[477]373        eprod () : epdfs ( 0 ), dls ( 0 ) {};
[536]374        //! Set internal
[477]375        void set_parameters ( const Array<const epdf*> &epdfs0, bool named = true ) {
376                epdfs = epdfs0;//.set_length ( epdfs0.length() );
[286]377                dls.set_length ( epdfs.length() );
378
[477]379                bool independent = true;
[286]380                if ( named ) {
[477]381                        for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
382                                independent = rv.add ( epdfs ( i )->_rv() );
383                                it_assert_debug ( independent == true, "eprod:: given components are not independent." );
[286]384                        }
[477]385                        dim = rv._dsize();
386                } else {
387                        dim = 0;
388                        for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
389                                dim += epdfs ( i )->dimension();
[286]390                        }
[204]391                }
[286]392                //
[477]393                int cumdim = 0;
394                int dimi = 0;
[286]395                int i;
[477]396                for ( i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
[286]397                        dls ( i ) = new datalink;
[477]398                        if ( named ) {
399                                dls ( i )->set_connection ( epdfs ( i )->_rv() , rv );
400                        } else {
[286]401                                dimi = epdfs ( i )->dimension();
[477]402                                dls ( i )->set_connection ( dimi, dim, linspace ( cumdim, cumdim + dimi - 1 ) );
403                                cumdim += dimi;
[286]404                        }
405                }
[168]406        }
407
408        vec mean() const {
[270]409                vec tmp ( dim );
[477]410                for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
[168]411                        vec pom = epdfs ( i )->mean();
[270]412                        dls ( i )->pushup ( tmp, pom );
[168]413                }
414                return tmp;
415        }
[229]416        vec variance() const {
[270]417                vec tmp ( dim ); //second moment
[477]418                for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
[229]419                        vec pom = epdfs ( i )->mean();
[477]420                        dls ( i )->pushup ( tmp, pow ( pom, 2 ) );
[229]421                }
[477]422                return tmp - pow ( mean(), 2 );
[229]423        }
[168]424        vec sample() const {
[270]425                vec tmp ( dim );
[477]426                for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
[168]427                        vec pom = epdfs ( i )->sample();
[270]428                        dls ( i )->pushup ( tmp, pom );
[168]429                }
430                return tmp;
431        }
[211]432        double evallog ( const vec &val ) const {
[477]433                double tmp = 0;
434                for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
435                        tmp += epdfs ( i )->evallog ( dls ( i )->pushdown ( val ) );
[168]436                }
[477]437                it_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite" );
[168]438                return tmp;
439        }
[170]440        //!access function
[477]441        const epdf* operator () ( int i ) const {
442                it_assert_debug ( i < epdfs.length(), "wrong index" );
443                return epdfs ( i );
444        }
[204]445
[193]446        //!Destructor
[477]447        ~eprod() {
448                for ( int i = 0; i < epdfs.length(); i++ ) {
449                        delete dls ( i );
450                }
451        }
[168]452};
453
454
[488]455/*! \brief Mixture of mpdfs with constant weights, all mpdfs are of equal RV and RVC
[124]456
457*/
[488]458class mmix : public mpdf {
459protected:
460        //! Component (mpdfs)
461        Array<shared_ptr<mpdf> > Coms;
462        //!weights of the components
463        vec w;
464        //! dummy epdfs
465        epdf dummy_epdf;
466public:
467        //!Default constructor
468        mmix() : Coms(0), dummy_epdf() { set_ep(dummy_epdf);    }
[461]469
[488]470        //! Set weights \c w and components \c R
471        void set_parameters ( const vec &w0, const Array<shared_ptr<mpdf> > &Coms0 ) {
[536]472                //!\todo check if all components are OK
[488]473                Coms = Coms0;
474                w=w0;   
[503]475
[513]476                if (Coms0.length()>0){
477                        set_rv(Coms(0)->_rv());
[515]478                        dummy_epdf.set_parameters(Coms(0)->_rv()._dsize());
[513]479                        set_rvc(Coms(0)->_rvc());
480                        dimc = rvc._dsize();
481                }
[488]482        }
483        double evallogcond (const vec &dt, const vec &cond) {
484                double ll=0.0;
485                for (int i=0;i<Coms.length();i++){
486                        ll+=Coms(i)->evallogcond(dt,cond);
487                }
488                return ll;
489        }
490
491        vec samplecond (const vec &cond);
492
493};
494
[254]495}
[107]496#endif //MX_H
Note: See TracBrowser for help on using the browser.