root/library/bdm/stat/exp_family.cpp @ 637

Revision 637, 8.6 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

new Dirichlet random walk + numerics in egiw

  • 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" );
84if (-nkG - nkW==Inf){
85        cout << "??" <<endl;
86}
87        return -nkG - nkW;
88}
89
90vec egiw::est_theta() const {
91        if ( dimx == 1 ) {
92                const mat &L = V._L();
93                int end = L.rows() - 1;
94
95                mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
96
97                vec L0 = L.get_col ( 0 );
98
99                return iLsub * L0 ( 1, end );
100        } else {
101                bdm_error ( "ERROR: est_theta() not implemented for dimx>1" );
102                return vec();
103        }
104}
105
106ldmat egiw::est_theta_cov() const {
107        if ( dimx == 1 ) {
108                const mat &L = V._L();
109                const vec &D = V._D();
110                int end = D.length() - 1;
111
112                mat Lsub = L ( 1, end, 1, end );
113                mat Dsub = diag ( D ( 1, end ) );
114
115                return inv ( transpose ( Lsub ) * Dsub * Lsub );
116
117        } else {
118                bdm_error ( "ERROR: est_theta_cov() not implemented for dimx>1" );
119                return ldmat();
120        }
121
122}
123
124vec egiw::mean() const {
125
126        if ( dimx == 1 ) {
127                const vec &D = V._D();
128                int end = D.length() - 1;
129
130                vec m ( dim );
131                m.set_subvector ( 0, est_theta() );
132                m ( end ) = D ( 0 ) / ( nu - nPsi - 2 * dimx - 2 );
133                return m;
134        } else {
135                mat M;
136                mat R;
137                mean_mat ( M, R );
138                return concat( cvectorize (  M),cvectorize( R ) );
139        }
140
141}
142
143vec egiw::variance() const {
144        int l = V.rows();
145        // cut out rest of lower-right part of V
146        const ldmat tmp ( V, linspace ( dimx, l - 1 ) );
147        // invert it
148        ldmat itmp ( l );
149        tmp.inv ( itmp );
150       
151        // following Wikipedia notation
152        // m=nu-nPsi-dimx-1, p=dimx
153        double mp1p=nu-nPsi-2*dimx; // m-p+1
154        double mp1m=mp1p-2;         // m-p-1
155       
156        if ( dimx == 1 ) {
157                double cove = V._D() ( 0 ) / mp1m ;
158
159                vec var ( l );
160                var.set_subvector ( 0, diag ( itmp.to_mat() ) *cove );
161                var ( l - 1 ) = cove * cove / (mp1m-2);
162                return var;
163        } else {
164                ldmat Vll( V, linspace(0,dimx-1)); // top-left part of V
165                mat Y=Vll.to_mat();
166                mat varY(Y.rows(), Y.cols()); 
167               
168                double denom = (mp1p-1)*mp1m*mp1m*(mp1m-2);         // (m-p)(m-p-1)^2(m-p-3)
169               
170                int i,j;
171                for ( i=0; i<Y.rows(); i++){
172                        for ( j=0; j<Y.cols(); j++){
173                                varY(i,j) = (mp1p*Y(i,j)*Y(i,j) + mp1m * Y(i,i)* Y(j,j)) /denom;
174                        }
175                }
176                vec mean_dR = diag(Y)/mp1m; // corresponds to cove
177                vec var_th=diag ( itmp.to_mat() );
178                vec var_Th ( mean_dR.length()*var_th.length() );
179                // diagonal of diag(mean_dR) \kron diag(var_th)
180                for (int i=0; i<mean_dR.length(); i++){
181                        var_Th.set_subvector(i*var_th.length(), var_th*mean_dR(i)); 
182                }
183               
184                return concat(var_Th, cvectorize(varY));
185        }
186}
187
188void egiw::mean_mat ( mat &M, mat&R ) const {
189        const mat &L = V._L();
190        const vec &D = V._D();
191        int end = L.rows() - 1;
192
193        ldmat ldR ( L ( 0, dimx - 1, 0, dimx - 1 ), D ( 0, dimx - 1 ) / ( nu - nPsi - 2*dimx - 2 ) ); //exp val of R
194        mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
195
196        // set mean value
197        mat Lpsi = L ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
198        M = iLsub * Lpsi;
199        R = ldR.to_mat()  ;
200}
201
202vec egamma::sample() const {
203        vec smp ( dim );
204        int i;
205
206        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
207                if ( beta ( i ) > std::numeric_limits<double>::epsilon() ) {
208                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), beta ( i ) );
209                } else {
210                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), std::numeric_limits<double>::epsilon() );
211                }
212#pragma omp critical
213                smp ( i ) = GamRNG();
214        }
215
216        return smp;
217}
218
219// mat egamma::sample ( int N ) const {
220//      mat Smp ( rv.count(),N );
221//      int i,j;
222//
223//      for ( i=0; i<rv.count(); i++ ) {
224//              GamRNG.setup ( alpha ( i ),beta ( i ) );
225//
226//              for ( j=0; j<N; j++ ) {
227//                      Smp ( i,j ) = GamRNG();
228//              }
229//      }
230//
231//      return Smp;
232// }
233
234double egamma::evallog ( const vec &val ) const {
235        double res = 0.0; //the rest will be added
236        int i;
237
238        if ( any ( val <= 0. ) ) return -inf;
239        if ( any ( beta <= 0. ) ) return -inf;
240        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
241                res += ( alpha ( i ) - 1 ) * std::log ( val ( i ) ) - beta ( i ) * val ( i );
242        }
243        double tmp = res - lognc();;
244        bdm_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite value" );
245        return tmp;
246}
247
248double egamma::lognc() const {
249        double res = 0.0; //will be added
250        int i;
251
252        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
253                res += lgamma ( alpha ( i ) ) - alpha ( i ) * std::log ( beta ( i ) ) ;
254        }
255
256        return res;
257}
258
259void mgamma::set_parameters ( double k0, const vec &beta0 ) {
260        k = k0;
261        iepdf.set_parameters ( k * ones ( beta0.length() ), beta0 );
262        dimc = iepdf.dimension();
263}
264
265void eEmp::resample ( ivec &ind, RESAMPLING_METHOD method ) {
266        ind = zeros_i ( n );
267        ivec N_babies = zeros_i ( n );
268        vec cumDist = cumsum ( w );
269        vec u ( n );
270        int i, j, parent;
271        double u0;
272
273        switch ( method ) {
274        case MULTINOMIAL:
275                u ( n - 1 ) = pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / n );
276
277                for ( i = n - 2; i >= 0; i-- ) {
278                        u ( i ) = u ( i + 1 ) * pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / ( i + 1 ) );
279                }
280
281                break;
282
283        case STRATIFIED:
284
285                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
286                        u ( i ) = ( i + UniRNG.sample() ) / n;
287                }
288
289                break;
290
291        case SYSTEMATIC:
292                u0 = UniRNG.sample();
293
294                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
295                        u ( i ) = ( i + u0 ) / n;
296                }
297
298                break;
299
300        default:
301                bdm_error ( "PF::resample(): Unknown resampling method" );
302        }
303
304        // U is now full
305        j = 0;
306
307        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
308                while ( u ( i ) > cumDist ( j ) ) j++;
309
310                N_babies ( j ) ++;
311        }
312        // We have assigned new babies for each Particle
313        // Now, we fill the resulting index such that:
314        // * particles with at least one baby should not move *
315        // This assures that reassignment can be done inplace;
316
317        // find the first parent;
318        parent = 0;
319        while ( N_babies ( parent ) == 0 ) parent++;
320
321        // Build index
322        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
323                if ( N_babies ( i ) > 0 ) {
324                        ind ( i ) = i;
325                        N_babies ( i ) --; //this index was now replicated;
326                } else {
327                        // test if the parent has been fully replicated
328                        // if yes, find the next one
329                        while ( ( N_babies ( parent ) == 0 ) || ( N_babies ( parent ) == 1 && parent > i ) ) parent++;
330
331                        // Replicate parent
332                        ind ( i ) = parent;
333
334                        N_babies ( parent ) --; //this index was now replicated;
335                }
336
337        }
338
339// copy the internals according to ind
340        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
341                if ( ind ( i ) != i ) {
342                        samples ( i ) = samples ( ind ( i ) );
343                }
344                w ( i ) = 1.0 / n;
345        }
346}
347
348void eEmp::set_statistics ( const vec &w0, const epdf &epdf0 ) {
349        dim = epdf0.dimension();
350        w = w0;
351        w /= sum ( w0 );//renormalize
352        n = w.length();
353        samples.set_size ( n );
354
355        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
356                samples ( i ) = epdf0.sample();
357        }
358}
359
360void eEmp::set_samples ( const epdf* epdf0 ) {
361        w = 1;
362        w /= sum ( w );//renormalize
363
364        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
365                samples ( i ) = epdf0->sample();
366        }
367}
368
369void migamma_ref::from_setting ( const Setting &set ) {
370        vec ref;
371        UI::get ( ref, set, "ref" , UI::compulsory );
372        set_parameters ( set["k"], ref, set["l"] );
373}
374
375void mlognorm::from_setting ( const Setting &set ) {
376        vec mu0;
377        UI::get ( mu0, set, "mu0", UI::compulsory );
378        set_parameters ( mu0.length(), set["k"] );
379        condition ( mu0 );
380}
381
382};
Note: See TracBrowser for help on using the browser.