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
Line 
1#include <math.h>
2
3#include <itpp/base/bessel.h>
4#include "exp_family.h"
5
6namespace bdm {
7
8Uniform_RNG UniRNG;
9Normal_RNG NorRNG;
10Gamma_RNG GamRNG;
11
12using std::cout;
13
14        ///////////
15
16void BMEF::bayes ( const vec &dt ) {
17        this->bayes ( dt, 1.0 );
18};
19
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
34vec egiw::sample() const {
35        bdm_warning ( "Function not implemented" );
36        return vec_1 ( 0.0 );
37}
38
39double egiw::evallog_nn ( const vec &val ) const {
40        int vend = val.length() - 1;
41
42        if ( dimx == 1 ) { //same as the following, just quicker.
43                double r = val ( vend ); //last entry!
44                if ( r < 0 ) return -inf;
45                vec Psi ( nPsi + dimx );
46                Psi ( 0 ) = -1.0;
47                Psi.set_subvector ( 1, val ( 0, vend - 1 ) ); // fill the rest
48
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 );
57                fsqmat iR ( dimx );
58                R.inv ( iR );
59
60                return -0.5* ( nu*ldetR + trace ( iR.to_mat() *Tmp.T() *V.to_mat() *Tmp ) );
61        }
62}
63
64double egiw::lognc() const {
65        const vec& D = V._D();
66
67        double m = nu - nPsi - dimx - 1;
68#define log2  0.693147180559945286226763983
69#define logpi 1.144729885849400163877476189
70#define log2pi 1.83787706640935
71#define Inf std::numeric_limits<double>::infinity()
72
73        double nkG = 0.5 * dimx * ( -nPsi * log2pi + sum ( log ( D ( dimx, D.length() - 1 ) ) ) );
74        // temporary for lgamma in Wishart
75        double lg = 0;
76        for ( int i = 0; i < dimx; i++ ) {
77                lg += lgamma ( 0.5 * ( m - i ) );
78        }
79
80        double nkW = 0.5 * ( m * sum ( log ( D ( 0, dimx - 1 ) ) ) ) \
81                     - 0.5 * dimx * ( m * log2 + 0.5 * ( dimx - 1 ) * log2pi )  - lg;
82
83        bdm_assert_debug ( ( ( -nkG - nkW ) > -Inf ) && ( ( -nkG - nkW ) < Inf ), "ARX improper" );
84        return -nkG - nkW;
85}
86
87vec egiw::est_theta() const {
88        if ( dimx == 1 ) {
89                const mat &L = V._L();
90                int end = L.rows() - 1;
91
92                mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
93
94                vec L0 = L.get_col ( 0 );
95
96                return iLsub * L0 ( 1, end );
97        } else {
98                bdm_error ( "ERROR: est_theta() not implemented for dimx>1" );
99                return vec();
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
109                mat Lsub = L ( 1, end, 1, end );
110                mat Dsub = diag ( D ( 1, end ) );
111
112                return inv ( transpose ( Lsub ) * Dsub * Lsub );
113
114        } else {
115                bdm_error ( "ERROR: est_theta_cov() not implemented for dimx>1" );
116                return ldmat();
117        }
118
119}
120
121vec egiw::mean() const {
122
123        if ( dimx == 1 ) {
124                const vec &D = V._D();
125                int end = D.length() - 1;
126
127                vec m ( dim );
128                m.set_subvector ( 0, est_theta() );
129                m ( end ) = D ( 0 ) / ( nu - nPsi - 2 * dimx - 2 );
130                return m;
131        } else {
132                mat M;
133                mat R;
134                mean_mat ( M, R );
135                return concat( cvectorize (  M),cvectorize( R ) );
136        }
137
138}
139
140vec egiw::variance() const {
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       
153        if ( dimx == 1 ) {
154                double cove = V._D() ( 0 ) / mp1m ;
155
156                vec var ( l );
157                var.set_subvector ( 0, diag ( itmp.to_mat() ) *cove );
158                var ( l - 1 ) = cove * cove / (mp1m-2);
159                return var;
160        } else {
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));
182        }
183}
184
185void egiw::mean_mat ( mat &M, mat&R ) const {
186        const mat &L = V._L();
187        const vec &D = V._D();
188        int end = L.rows() - 1;
189
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 ) );
192
193        // set mean value
194        mat Lpsi = L ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
195        M = iLsub * Lpsi;
196        R = ldR.to_mat()  ;
197}
198
199vec egamma::sample() const {
200        vec smp ( dim );
201        int i;
202
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() );
208                }
209#pragma omp critical
210                smp ( i ) = GamRNG();
211        }
212
213        return smp;
214}
215
216// mat egamma::sample ( int N ) const {
217//      mat Smp ( rv.count(),N );
218//      int i,j;
219//
220//      for ( i=0; i<rv.count(); i++ ) {
221//              GamRNG.setup ( alpha ( i ),beta ( i ) );
222//
223//              for ( j=0; j<N; j++ ) {
224//                      Smp ( i,j ) = GamRNG();
225//              }
226//      }
227//
228//      return Smp;
229// }
230
231double egamma::evallog ( const vec &val ) const {
232        double res = 0.0; //the rest will be added
233        int i;
234
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 );
239        }
240        double tmp = res - lognc();;
241        bdm_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite value" );
242        return tmp;
243}
244
245double egamma::lognc() const {
246        double res = 0.0; //will be added
247        int i;
248
249        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
250                res += lgamma ( alpha ( i ) ) - alpha ( i ) * std::log ( beta ( i ) ) ;
251        }
252
253        return res;
254}
255
256void mgamma::set_parameters ( double k0, const vec &beta0 ) {
257        k = k0;
258        iepdf.set_parameters ( k * ones ( beta0.length() ), beta0 );
259        dimc = iepdf.dimension();
260}
261
262ivec eEmp::resample ( RESAMPLING_METHOD method ) {
263        ivec ind = zeros_i ( n );
264        ivec N_babies = zeros_i ( n );
265        vec cumDist = cumsum ( w );
266        vec u ( n );
267        int i, j, parent;
268        double u0;
269
270        switch ( method ) {
271        case MULTINOMIAL:
272                u ( n - 1 ) = pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / n );
273
274                for ( i = n - 2; i >= 0; i-- ) {
275                        u ( i ) = u ( i + 1 ) * pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / ( i + 1 ) );
276                }
277
278                break;
279
280        case STRATIFIED:
281
282                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
283                        u ( i ) = ( i + UniRNG.sample() ) / n;
284                }
285
286                break;
287
288        case SYSTEMATIC:
289                u0 = UniRNG.sample();
290
291                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
292                        u ( i ) = ( i + u0 ) / n;
293                }
294
295                break;
296
297        default:
298                bdm_error ( "PF::resample(): Unknown resampling method" );
299        }
300
301        // U is now full
302        j = 0;
303
304        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
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;
315        parent = 0;
316        while ( N_babies ( parent ) == 0 ) parent++;
317
318        // Build index
319        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
320                if ( N_babies ( i ) > 0 ) {
321                        ind ( i ) = i;
322                        N_babies ( i ) --; //this index was now replicated;
323                } else {
324                        // test if the parent has been fully replicated
325                        // if yes, find the next one
326                        while ( ( N_babies ( parent ) == 0 ) || ( N_babies ( parent ) == 1 && parent > i ) ) parent++;
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
337        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
338                if ( ind ( i ) != i ) {
339                        samples ( i ) = samples ( ind ( i ) );
340                }
341                w ( i ) = 1.0 / n;
342        }
343
344        return ind;
345}
346
347void eEmp::set_statistics ( const vec &w0, const epdf &epdf0 ) {
348        dim = epdf0.dimension();
349        w = w0;
350        w /= sum ( w0 );//renormalize
351        n = w.length();
352        samples.set_size ( n );
353
354        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
355                samples ( i ) = epdf0.sample();
356        }
357}
358
359void eEmp::set_samples ( const epdf* epdf0 ) {
360        w = 1;
361        w /= sum ( w );//renormalize
362
363        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
364                samples ( i ) = epdf0->sample();
365        }
366}
367
368void migamma_ref::from_setting ( const Setting &set ) {
369        vec ref;
370        UI::get ( ref, set, "ref" , UI::compulsory );
371        set_parameters ( set["k"], ref, set["l"] );
372}
373
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 );
379}
380
381};
Note: See TracBrowser for help on using the browser.