root/library/bdm/stat/exp_family.cpp @ 629

Revision 629, 8.5 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

egiw.variance works for multidimensional + cleanup in tests

  • Property svn:eol-style set to native
RevLine 
[357]1#include <math.h>
[262]2
[32]3#include <itpp/base/bessel.h>
[384]4#include "exp_family.h"
[13]5
[477]6namespace bdm {
[13]7
[32]8Uniform_RNG UniRNG;
9Normal_RNG NorRNG;
10Gamma_RNG GamRNG;
11
[13]12using std::cout;
13
[487]14        ///////////
15
[477]16void BMEF::bayes ( const vec &dt ) {
17        this->bayes ( dt, 1.0 );
18};
[170]19
[629]20void egiw::set_parameters (int dimx0, ldmat V0, double nu0) {
21        dimx = dimx0;
22        nPsi = V0.rows() - dimx;
23        dim = dimx * (dimx + nPsi); // size(R) + size(Theta)
24       
25        V = V0;
26        if (nu0 < 0) {
27                nu = 0.1 + nPsi + 2 * dimx + 2; // +2 assures finite expected value of R
28                // terms before that are sufficient for finite normalization
29        } else {
30                nu = nu0;
31        }
32}
33
[96]34vec egiw::sample() const {
[565]35        bdm_warning ( "Function not implemented" );
[168]36        return vec_1 ( 0.0 );
[96]37}
38
[211]39double egiw::evallog_nn ( const vec &val ) const {
[477]40        int vend = val.length() - 1;
[168]41
[477]42        if ( dimx == 1 ) { //same as the following, just quicker.
[170]43                double r = val ( vend ); //last entry!
[477]44                if ( r < 0 ) return -inf;
45                vec Psi ( nPsi + dimx );
[168]46                Psi ( 0 ) = -1.0;
[477]47                Psi.set_subvector ( 1, val ( 0, vend - 1 ) ); // fill the rest
[168]48
[477]49                double Vq = V.qform ( Psi );
50                return -0.5* ( nu*log ( r ) + Vq / r );
51        } else {
52                mat Th = reshape ( val ( 0, nPsi * dimx - 1 ), nPsi, dimx );
53                fsqmat R ( reshape ( val ( nPsi*dimx, vend ), dimx, dimx ) );
54                double ldetR = R.logdet();
55                if ( ldetR ) return -inf;
56                mat Tmp = concat_vertical ( -eye ( dimx ), Th );
[270]57                fsqmat iR ( dimx );
[168]58                R.inv ( iR );
[170]59
[395]60                return -0.5* ( nu*ldetR + trace ( iR.to_mat() *Tmp.T() *V.to_mat() *Tmp ) );
[168]61        }
[96]62}
63
[168]64double egiw::lognc() const {
[96]65        const vec& D = V._D();
66
[477]67        double m = nu - nPsi - dimx - 1;
[168]68#define log2  0.693147180559945286226763983
69#define logpi 1.144729885849400163877476189
70#define log2pi 1.83787706640935
[178]71#define Inf std::numeric_limits<double>::infinity()
[168]72
[477]73        double nkG = 0.5 * dimx * ( -nPsi * log2pi + sum ( log ( D ( dimx, D.length() - 1 ) ) ) );
[168]74        // temporary for lgamma in Wishart
[477]75        double lg = 0;
76        for ( int i = 0; i < dimx; i++ ) {
77                lg += lgamma ( 0.5 * ( m - i ) );
78        }
[168]79
[477]80        double nkW = 0.5 * ( m * sum ( log ( D ( 0, dimx - 1 ) ) ) ) \
81                     - 0.5 * dimx * ( m * log2 + 0.5 * ( dimx - 1 ) * log2pi )  - lg;
[168]82
[565]83        bdm_assert_debug ( ( ( -nkG - nkW ) > -Inf ) && ( ( -nkG - nkW ) < Inf ), "ARX improper" );
[477]84        return -nkG - nkW;
[96]85}
86
[330]87vec egiw::est_theta() const {
[477]88        if ( dimx == 1 ) {
[330]89                const mat &L = V._L();
90                int end = L.rows() - 1;
91
[477]92                mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
[330]93
[477]94                vec L0 = L.get_col ( 0 );
[330]95
[477]96                return iLsub * L0 ( 1, end );
97        } else {
[565]98                bdm_error ( "ERROR: est_theta() not implemented for dimx>1" );
99                return vec();
[330]100        }
101}
102
103ldmat egiw::est_theta_cov() const {
104        if ( dimx == 1 ) {
105                const mat &L = V._L();
106                const vec &D = V._D();
107                int end = D.length() - 1;
108
[477]109                mat Lsub = L ( 1, end, 1, end );
110                mat Dsub = diag ( D ( 1, end ) );
[330]111
[477]112                return inv ( transpose ( Lsub ) * Dsub * Lsub );
[330]113
[477]114        } else {
[565]115                bdm_error ( "ERROR: est_theta_cov() not implemented for dimx>1" );
116                return ldmat();
[330]117        }
118
119}
120
[96]121vec egiw::mean() const {
[168]122
[477]123        if ( dimx == 1 ) {
124                const vec &D = V._D();
125                int end = D.length() - 1;
[170]126
[270]127                vec m ( dim );
[330]128                m.set_subvector ( 0, est_theta() );
[477]129                m ( end ) = D ( 0 ) / ( nu - nPsi - 2 * dimx - 2 );
[170]130                return m;
[477]131        } else {
[170]132                mat M;
133                mat R;
[477]134                mean_mat ( M, R );
[629]135                return concat( cvectorize (  M),cvectorize( R ) );
[168]136        }
[170]137
138}
[262]139
140vec egiw::variance() const {
[629]141        int l = V.rows();
142        // cut out rest of lower-right part of V
143        const ldmat tmp ( V, linspace ( dimx, l - 1 ) );
144        // invert it
145        ldmat itmp ( l );
146        tmp.inv ( itmp );
147       
148        // following Wikipedia notation
149        // m=nu-nPsi-dimx-1, p=dimx
150        double mp1p=nu-nPsi-2*dimx; // m-p+1
151        double mp1m=mp1p-2;         // m-p-1
152       
[477]153        if ( dimx == 1 ) {
[629]154                double cove = V._D() ( 0 ) / mp1m ;
[477]155
156                vec var ( l );
157                var.set_subvector ( 0, diag ( itmp.to_mat() ) *cove );
[629]158                var ( l - 1 ) = cove * cove / (mp1m-2);
[262]159                return var;
[477]160        } else {
[629]161                ldmat Vll( V, linspace(0,dimx-1)); // top-left part of V
162                mat Y=Vll.to_mat();
163                mat varY(Y.rows(), Y.cols()); 
164               
165                double denom = (mp1p-1)*mp1m*mp1m*(mp1m-2);         // (m-p)(m-p-1)^2(m-p-3)
166               
167                int i,j;
168                for ( i=0; i<Y.rows(); i++){
169                        for ( j=0; j<Y.cols(); j++){
170                                varY(i,j) = (mp1p*Y(i,j)*Y(i,j) + mp1m * Y(i,i)* Y(j,j)) /denom;
171                        }
172                }
173                vec mean_dR = diag(Y)/mp1m; // corresponds to cove
174                vec var_th=diag ( itmp.to_mat() );
175                vec var_Th ( mean_dR.length()*var_th.length() );
176                // diagonal of diag(mean_dR) \kron diag(var_th)
177                for (int i=0; i<mean_dR.length(); i++){
178                        var_Th.set_subvector(i*var_th.length(), var_th*mean_dR(i)); 
179                }
180               
181                return concat(var_Th, cvectorize(varY));
[262]182        }
183}
184
[225]185void egiw::mean_mat ( mat &M, mat&R ) const {
[477]186        const mat &L = V._L();
187        const vec &D = V._D();
188        int end = L.rows() - 1;
[225]189
[477]190        ldmat ldR ( L ( 0, dimx - 1, 0, dimx - 1 ), D ( 0, dimx - 1 ) / ( nu - nPsi - 2*dimx - 2 ) ); //exp val of R
191        mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
[225]192
[170]193        // set mean value
[477]194        mat Lpsi = L ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
195        M = iLsub * Lpsi;
196        R = ldR.to_mat()  ;
[96]197}
198
[32]199vec egamma::sample() const {
[477]200        vec smp ( dim );
[32]201        int i;
202
[477]203        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
204                if ( beta ( i ) > std::numeric_limits<double>::epsilon() ) {
205                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), beta ( i ) );
206                } else {
207                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), std::numeric_limits<double>::epsilon() );
[225]208                }
[168]209#pragma omp critical
[32]210                smp ( i ) = GamRNG();
211        }
212
213        return smp;
214}
215
[102]216// mat egamma::sample ( int N ) const {
217//      mat Smp ( rv.count(),N );
218//      int i,j;
[168]219//
[102]220//      for ( i=0; i<rv.count(); i++ ) {
221//              GamRNG.setup ( alpha ( i ),beta ( i ) );
[168]222//
[102]223//              for ( j=0; j<N; j++ ) {
224//                      Smp ( i,j ) = GamRNG();
225//              }
226//      }
[168]227//
[102]228//      return Smp;
229// }
[32]230
[211]231double egamma::evallog ( const vec &val ) const {
[96]232        double res = 0.0; //the rest will be added
233        int i;
234
[477]235        if ( any ( val <= 0. ) ) return -inf;
236        if ( any ( beta <= 0. ) ) return -inf;
237        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
238                res += ( alpha ( i ) - 1 ) * std::log ( val ( i ) ) - beta ( i ) * val ( i );
[96]239        }
[477]240        double tmp = res - lognc();;
[565]241        bdm_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite value" );
[214]242        return tmp;
[96]243}
244
245double egamma::lognc() const {
[32]246        double res = 0.0; //will be added
247        int i;
248
[477]249        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
250                res += lgamma ( alpha ( i ) ) - alpha ( i ) * std::log ( beta ( i ) ) ;
[32]251        }
252
253        return res;
254}
255
[477]256void mgamma::set_parameters ( double k0, const vec &beta0 ) {
[461]257        k = k0;
[487]258        iepdf.set_parameters ( k * ones ( beta0.length() ), beta0 );
259        dimc = iepdf.dimension();
[461]260}
[32]261
[477]262ivec eEmp::resample ( RESAMPLING_METHOD method ) {
263        ivec ind = zeros_i ( n );
[32]264        ivec N_babies = zeros_i ( n );
265        vec cumDist = cumsum ( w );
266        vec u ( n );
[477]267        int i, j, parent;
[32]268        double u0;
269
270        switch ( method ) {
[477]271        case MULTINOMIAL:
272                u ( n - 1 ) = pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / n );
[32]273
[477]274                for ( i = n - 2; i >= 0; i-- ) {
275                        u ( i ) = u ( i + 1 ) * pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / ( i + 1 ) );
276                }
[32]277
[477]278                break;
[32]279
[477]280        case STRATIFIED:
[32]281
[477]282                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
283                        u ( i ) = ( i + UniRNG.sample() ) / n;
284                }
[32]285
[477]286                break;
[32]287
[477]288        case SYSTEMATIC:
289                u0 = UniRNG.sample();
[32]290
[477]291                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
292                        u ( i ) = ( i + u0 ) / n;
293                }
[32]294
[477]295                break;
[32]296
[477]297        default:
[565]298                bdm_error ( "PF::resample(): Unknown resampling method" );
[32]299        }
300
301        // U is now full
302        j = 0;
303
[477]304        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
[32]305                while ( u ( i ) > cumDist ( j ) ) j++;
306
307                N_babies ( j ) ++;
308        }
309        // We have assigned new babies for each Particle
310        // Now, we fill the resulting index such that:
311        // * particles with at least one baby should not move *
312        // This assures that reassignment can be done inplace;
313
314        // find the first parent;
[477]315        parent = 0;
316        while ( N_babies ( parent ) == 0 ) parent++;
[32]317
318        // Build index
[477]319        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
[32]320                if ( N_babies ( i ) > 0 ) {
321                        ind ( i ) = i;
322                        N_babies ( i ) --; //this index was now replicated;
[477]323                } else {
[32]324                        // test if the parent has been fully replicated
325                        // if yes, find the next one
[477]326                        while ( ( N_babies ( parent ) == 0 ) || ( N_babies ( parent ) == 1 && parent > i ) ) parent++;
[32]327
328                        // Replicate parent
329                        ind ( i ) = parent;
330
331                        N_babies ( parent ) --; //this index was now replicated;
332                }
333
334        }
335
336        // copy the internals according to ind
[477]337        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
338                if ( ind ( i ) != i ) {
339                        samples ( i ) = samples ( ind ( i ) );
[32]340                }
[477]341                w ( i ) = 1.0 / n;
[32]342        }
343
344        return ind;
345}
346
[488]347void eEmp::set_statistics ( const vec &w0, const epdf &epdf0 ) {
348        dim = epdf0.dimension();
[477]349        w = w0;
350        w /= sum ( w0 );//renormalize
351        n = w.length();
[32]352        samples.set_size ( n );
353
[477]354        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
[488]355                samples ( i ) = epdf0.sample();
[477]356        }
[32]357}
[178]358
[225]359void eEmp::set_samples ( const epdf* epdf0 ) {
[477]360        w = 1;
361        w /= sum ( w );//renormalize
[178]362
[477]363        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
364                samples ( i ) = epdf0->sample();
365        }
[178]366}
367
[477]368void migamma_ref::from_setting ( const Setting &set ) {
[357]369        vec ref;
[477]370        UI::get ( ref, set, "ref" , UI::compulsory );
371        set_parameters ( set["k"], ref, set["l"] );
[357]372}
373
[477]374void mlognorm::from_setting ( const Setting &set ) {
375        vec mu0;
376        UI::get ( mu0, set, "mu0", UI::compulsory );
377        set_parameters ( mu0.length(), set["k"] );
378        condition ( mu0 );
[357]379}
380
[262]381};
Note: See TracBrowser for help on using the browser.