root/library/bdm/stat/exp_family.cpp @ 739

Revision 739, 13.2 kB (checked in by mido, 14 years ago)

the rest of h to cpp movements, with exception of from_setting and validate to avoid conflicts with Sarka

  • 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 &yt, const vec &cond ) {
17        this->bayes_weighted ( yt, cond, 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        mat M;
36        chmat R;
37        sample_mat ( M, R );
38
39        return concat ( cvectorize ( M ), cvectorize ( R.to_mat() ) );
40}
41
42mat egiw::sample_mat ( int n ) const {
43        // TODO - correct approach - convert to product of norm * Wishart
44        mat M;
45        ldmat Vz;
46        ldmat Lam;
47        factorize ( M, Vz, Lam );
48
49        chmat ChLam ( Lam.to_mat() );
50        chmat iChLam;
51        ChLam.inv ( iChLam );
52
53        eWishartCh Omega; //inverse Wishart, result is R,
54        Omega.set_parameters ( iChLam, nu - 2*nPsi - dimx ); // 2*nPsi is there to match numercial simulations - check if analytically correct
55
56        mat OmChi;
57        mat Z ( M.rows(), M.cols() );
58
59        mat Mi;
60        mat RChiT;
61        mat tmp ( dimension(), n );
62        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
63                OmChi = Omega.sample_mat();
64                RChiT = inv ( OmChi );
65                Z = randn ( M.rows(), M.cols() );
66                Mi = M + RChiT * Z * inv ( Vz._L().T() * diag ( sqrt ( Vz._D() ) ) );
67
68                tmp.set_col ( i, concat ( cvectorize ( Mi ), cvectorize ( RChiT*RChiT.T() ) ) );
69        }
70        return tmp;
71}
72
73void egiw::sample_mat ( mat &Mi, chmat &Ri ) const {
74
75        // TODO - correct approach - convert to product of norm * Wishart
76        mat M;
77        ldmat Vz;
78        ldmat Lam;
79        factorize ( M, Vz, Lam );
80
81        chmat Ch;
82        Ch.setCh ( Lam._L() *diag ( sqrt ( Lam._D() ) ) );
83        chmat iCh;
84        Ch.inv ( iCh );
85
86        eWishartCh Omega; //inverse Wishart, result is R,
87        Omega.set_parameters ( iCh, nu - 2*nPsi - dimx ); // 2*nPsi is there to match numercial simulations - check if analytically correct
88
89        chmat Omi;
90        Omi.setCh ( Omega.sample_mat() );
91
92        mat Z = randn ( M.rows(), M.cols() );
93        Mi = M + Omi._Ch() * Z * inv ( Vz._L() * diag ( sqrt ( Vz._D() ) ) );
94        Omi.inv ( Ri );
95}
96
97double egiw::evallog_nn ( const vec &val ) const {
98        int vend = val.length() - 1;
99
100        if ( dimx == 1 ) { //same as the following, just quicker.
101                double r = val ( vend ); //last entry!
102                if ( r < 0 ) return -inf;
103                vec Psi ( nPsi + dimx );
104                Psi ( 0 ) = -1.0;
105                Psi.set_subvector ( 1, val ( 0, vend - 1 ) ); // fill the rest
106
107                double Vq = V.qform ( Psi );
108                return -0.5* ( nu*log ( r ) + Vq / r );
109        } else {
110                mat Th = reshape ( val ( 0, nPsi * dimx - 1 ), nPsi, dimx );
111                fsqmat R ( reshape ( val ( nPsi*dimx, vend ), dimx, dimx ) );
112                double ldetR = R.logdet();
113                if ( ldetR ) return -inf;
114                mat Tmp = concat_vertical ( -eye ( dimx ), Th );
115                fsqmat iR ( dimx );
116                R.inv ( iR );
117
118                return -0.5* ( nu*ldetR + trace ( iR.to_mat() *Tmp.T() *V.to_mat() *Tmp ) );
119        }
120}
121
122double egiw::lognc() const {
123        const vec& D = V._D();
124
125        double m = nu - nPsi - dimx - 1;
126#define log2  0.693147180559945286226763983
127#define logpi 1.144729885849400163877476189
128#define log2pi 1.83787706640935
129#define Inf std::numeric_limits<double>::infinity()
130
131        double nkG = 0.5 * dimx * ( -nPsi * log2pi + sum ( log ( D ( dimx, D.length() - 1 ) ) ) );
132        // temporary for lgamma in Wishart
133        double lg = 0;
134        for ( int i = 0; i < dimx; i++ ) {
135                lg += lgamma ( 0.5 * ( m - i ) );
136        }
137
138        double nkW = 0.5 * ( m * sum ( log ( D ( 0, dimx - 1 ) ) ) ) \
139                     - 0.5 * dimx * ( m * log2 + 0.5 * ( dimx - 1 ) * log2pi )  - lg;
140
141//      bdm_assert_debug ( ( ( -nkG - nkW ) > -Inf ) && ( ( -nkG - nkW ) < Inf ), "ARX improper" );
142        if ( -nkG - nkW == Inf ) {
143                cout << "??" << endl;
144        }
145        return -nkG - nkW;
146}
147
148vec egiw::est_theta() const {
149        if ( dimx == 1 ) {
150                const mat &L = V._L();
151                int end = L.rows() - 1;
152
153                mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
154
155                vec L0 = L.get_col ( 0 );
156
157                return iLsub * L0 ( 1, end );
158        } else {
159                bdm_error ( "ERROR: est_theta() not implemented for dimx>1" );
160                return vec();
161        }
162}
163
164void egiw::factorize ( mat &M, ldmat &Vz, ldmat &Lam ) const {
165        const mat &L = V._L();
166        const vec &D = V._D();
167        int end = L.rows() - 1;
168
169        Vz = ldmat ( L ( dimx, end, dimx, end ), D ( dimx, end ) );
170        mat iLsub = ltuinv ( Vz._L() );
171        // set mean value
172        mat Lpsi = L ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
173        M = iLsub * Lpsi;
174
175        Lam = ldmat ( L ( 0, dimx - 1, 0, dimx - 1 ), D ( 0, dimx - 1 ) );  //exp val of R
176        if ( 1 ) { // test with Peterka
177                mat VF = V.to_mat();
178                mat Vf = VF ( 0, dimx - 1, 0, dimx - 1 );
179                mat Vzf = VF ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
180                mat VZ = VF ( dimx, end, dimx, end );
181
182                mat Lam2 = Vf - Vzf.T() * inv ( VZ ) * Vzf;
183        }
184}
185
186ldmat egiw::est_theta_cov() const {
187        if ( dimx == 1 ) {
188                const mat &L = V._L();
189                const vec &D = V._D();
190                int end = D.length() - 1;
191
192                mat Lsub = L ( 1, end, 1, end );
193//              mat Dsub = diag ( D ( 1, end ) );
194
195                ldmat LD ( inv ( Lsub ).T(), 1.0 / D ( 1, end ) );
196                return LD;
197
198        } else {
199                bdm_error ( "ERROR: est_theta_cov() not implemented for dimx>1" );
200                return ldmat();
201        }
202
203}
204
205vec egiw::mean() const {
206
207        if ( dimx == 1 ) {
208                const vec &D = V._D();
209                int end = D.length() - 1;
210
211                vec m ( dim );
212                m.set_subvector ( 0, est_theta() );
213                m ( end ) = D ( 0 ) / ( nu - nPsi - 2 * dimx - 2 );
214                return m;
215        } else {
216                mat M;
217                mat R;
218                mean_mat ( M, R );
219                return concat ( cvectorize ( M ), cvectorize ( R ) );
220        }
221
222}
223
224vec egiw::variance() const {
225        int l = V.rows();
226        // cut out rest of lower-right part of V
227        const ldmat tmp ( V, linspace ( dimx, l - 1 ) );
228        // invert it
229        ldmat itmp ( l );
230        tmp.inv ( itmp );
231
232        // following Wikipedia notation
233        // m=nu-nPsi-dimx-1, p=dimx
234        double mp1p = nu - nPsi - 2 * dimx; // m-p+1
235        double mp1m = mp1p - 2;     // m-p-1
236
237        if ( dimx == 1 ) {
238                double cove = V._D() ( 0 ) / mp1m ;
239
240                vec var ( l );
241                var.set_subvector ( 0, diag ( itmp.to_mat() ) *cove );
242                var ( l - 1 ) = cove * cove / ( mp1m - 2 );
243                return var;
244        } else {
245                ldmat Vll ( V, linspace ( 0, dimx - 1 ) ); // top-left part of V
246                mat Y = Vll.to_mat();
247                mat varY ( Y.rows(), Y.cols() );
248
249                double denom = ( mp1p - 1 ) * mp1m * mp1m * ( mp1m - 2 );         // (m-p)(m-p-1)^2(m-p-3)
250
251                int i, j;
252                for ( i = 0; i < Y.rows(); i++ ) {
253                        for ( j = 0; j < Y.cols(); j++ ) {
254                                varY ( i, j ) = ( mp1p * Y ( i, j ) * Y ( i, j ) + mp1m * Y ( i, i ) * Y ( j, j ) ) / denom;
255                        }
256                }
257                vec mean_dR = diag ( Y ) / mp1m; // corresponds to cove
258                vec var_th = diag ( itmp.to_mat() );
259                vec var_Th ( mean_dR.length() *var_th.length() );
260                // diagonal of diag(mean_dR) \kron diag(var_th)
261                for ( int i = 0; i < mean_dR.length(); i++ ) {
262                        var_Th.set_subvector ( i*var_th.length(), var_th*mean_dR ( i ) );
263                }
264
265                return concat ( var_Th, cvectorize ( varY ) );
266        }
267}
268
269void egiw::mean_mat ( mat &M, mat&R ) const {
270        const mat &L = V._L();
271        const vec &D = V._D();
272        int end = L.rows() - 1;
273
274        ldmat ldR ( L ( 0, dimx - 1, 0, dimx - 1 ), D ( 0, dimx - 1 ) / ( nu - nPsi - 2*dimx - 2 ) ); //exp val of R
275        mat iLsub = ltuinv ( L ( dimx, end, dimx, end ) );
276
277        // set mean value
278        mat Lpsi = L ( dimx, end, 0, dimx - 1 );
279        M = iLsub * Lpsi;
280        R = ldR.to_mat()  ;
281}
282
283void egiw::log_register ( bdm::logger& L, const string& prefix ) {
284        if ( log_level == 3 ) {
285                root::log_register ( L, prefix );
286                logrec->ids.set_length ( 2 );
287                int th_dim = dimension() - dimx * ( dimx + 1 ) / 2;
288                logrec->ids ( 0 ) = L.add_vector ( RV ( "", th_dim ), prefix + logrec->L.prefix_sep() + "mean" );
289                logrec->ids ( 1 ) = L.add_vector ( RV ( "", th_dim * th_dim ), prefix + logrec->L.prefix_sep() + "variance" );
290        } else {
291                epdf::log_register ( L, prefix );
292        }
293}
294
295void egiw::log_write() const {
296        if ( log_level == 3 ) {
297                mat M;
298                ldmat Lam;
299                ldmat Vz;
300                factorize ( M, Vz, Lam );
301                logrec->L.log_vector ( logrec->ids ( 0 ), est_theta() );
302                logrec->L.log_vector ( logrec->ids ( 1 ), cvectorize ( est_theta_cov().to_mat() ) );
303        } else {
304                epdf::log_write();
305        }
306
307}
308
309void multiBM::bayes ( const vec &yt, const vec &cond ) {
310        if ( frg < 1.0 ) {
311                beta *= frg;
312                last_lognc = est.lognc();
313        }
314        beta += yt;
315        if ( evalll ) {
316                ll = est.lognc() - last_lognc;
317        }
318}
319
320double multiBM::logpred ( const vec &yt ) const {
321        eDirich pred ( est );
322        vec &beta = pred._beta();
323
324        double lll;
325        if ( frg < 1.0 ) {
326                beta *= frg;
327                lll = pred.lognc();
328        } else if ( evalll ) {
329                lll = last_lognc;
330        } else {
331                lll = pred.lognc();
332        }
333
334        beta += yt;
335        return pred.lognc() - lll;
336}
337void multiBM::flatten ( const BMEF* B ) {
338        const multiBM* E = dynamic_cast<const multiBM*> ( B );
339        // sum(beta) should be equal to sum(B.beta)
340        const vec &Eb = E->beta;//const_cast<multiBM*> ( E )->_beta();
341        beta *= ( sum ( Eb ) / sum ( beta ) );
342        if ( evalll ) {
343                last_lognc = est.lognc();
344        }
345}
346
347vec egamma::sample() const {
348        vec smp ( dim );
349        int i;
350
351        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
352                if ( beta ( i ) > std::numeric_limits<double>::epsilon() ) {
353                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), beta ( i ) );
354                } else {
355                        GamRNG.setup ( alpha ( i ), std::numeric_limits<double>::epsilon() );
356                }
357#pragma omp critical
358                smp ( i ) = GamRNG();
359        }
360
361        return smp;
362}
363
364// mat egamma::sample ( int N ) const {
365//      mat Smp ( rv.count(),N );
366//      int i,j;
367//
368//      for ( i=0; i<rv.count(); i++ ) {
369//              GamRNG.setup ( alpha ( i ),beta ( i ) );
370//
371//              for ( j=0; j<N; j++ ) {
372//                      Smp ( i,j ) = GamRNG();
373//              }
374//      }
375//
376//      return Smp;
377// }
378
379double egamma::evallog ( const vec &val ) const {
380        double res = 0.0; //the rest will be added
381        int i;
382
383        if ( any ( val <= 0. ) ) return -inf;
384        if ( any ( beta <= 0. ) ) return -inf;
385        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
386                res += ( alpha ( i ) - 1 ) * std::log ( val ( i ) ) - beta ( i ) * val ( i );
387        }
388        double tmp = res - lognc();;
389        bdm_assert_debug ( std::isfinite ( tmp ), "Infinite value" );
390        return tmp;
391}
392
393double egamma::lognc() const {
394        double res = 0.0; //will be added
395        int i;
396
397        for ( i = 0; i < dim; i++ ) {
398                res += lgamma ( alpha ( i ) ) - alpha ( i ) * std::log ( beta ( i ) ) ;
399        }
400
401        return res;
402}
403
404void mgamma::set_parameters ( double k0, const vec &beta0 ) {
405        k = k0;
406        iepdf.set_parameters ( k * ones ( beta0.length() ), beta0 );
407        dimc = iepdf.dimension();
408        dim = iepdf.dimension();
409}
410
411void eEmp::resample ( ivec &ind, RESAMPLING_METHOD method ) {
412        ind = zeros_i ( n );
413        ivec N_babies = zeros_i ( n );
414        vec cumDist = cumsum ( w );
415        vec u ( n );
416        int i, j, parent;
417        double u0;
418
419        switch ( method ) {
420        case MULTINOMIAL:
421                u ( n - 1 ) = pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / n );
422
423                for ( i = n - 2; i >= 0; i-- ) {
424                        u ( i ) = u ( i + 1 ) * pow ( UniRNG.sample(), 1.0 / ( i + 1 ) );
425                }
426
427                break;
428
429        case STRATIFIED:
430
431                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
432                        u ( i ) = ( i + UniRNG.sample() ) / n;
433                }
434
435                break;
436
437        case SYSTEMATIC:
438                u0 = UniRNG.sample();
439
440                for ( i = 0; i < n; i++ ) {
441                        u ( i ) = ( i + u0 ) / n;
442                }
443
444                break;
445
446        default:
447                bdm_error ( "PF::resample(): Unknown resampling method" );
448        }
449
450        // U is now full
451        j = 0;
452
453        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
454                while ( u ( i ) > cumDist ( j ) ) j++;
455
456                N_babies ( j ) ++;
457        }
458        // We have assigned new babies for each Particle
459        // Now, we fill the resulting index such that:
460        // * particles with at least one baby should not move *
461        // This assures that reassignment can be done inplace;
462
463        // find the first parent;
464        parent = 0;
465        while ( N_babies ( parent ) == 0 ) parent++;
466
467        // Build index
468        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
469                if ( N_babies ( i ) > 0 ) {
470                        ind ( i ) = i;
471                        N_babies ( i ) --; //this index was now replicated;
472                } else {
473                        // test if the parent has been fully replicated
474                        // if yes, find the next one
475                        while ( ( N_babies ( parent ) == 0 ) || ( N_babies ( parent ) == 1 && parent > i ) ) parent++;
476
477                        // Replicate parent
478                        ind ( i ) = parent;
479
480                        N_babies ( parent ) --; //this index was now replicated;
481                }
482
483        }
484
485// copy the internals according to ind
486        for ( i = 0; i < n; i++ ) {
487                if ( ind ( i ) != i ) {
488                        samples ( i ) = samples ( ind ( i ) );
489                }
490                w ( i ) = 1.0 / n;
491        }
492}
493
494void eEmp::set_statistics ( const vec &w0, const epdf &epdf0 ) {
495        dim = epdf0.dimension();
496        w = w0;
497        w /= sum ( w0 );//renormalize
498        n = w.length();
499        samples.set_size ( n );
500
501        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
502                samples ( i ) = epdf0.sample();
503        }
504}
505
506void eEmp::set_samples ( const epdf* epdf0 ) {
507        w = 1;
508        w /= sum ( w );//renormalize
509
510        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
511                samples ( i ) = epdf0->sample();
512        }
513}
514
515void migamma_ref::from_setting ( const Setting &set ) {
516        vec ref;
517        UI::get ( ref, set, "ref" , UI::compulsory );
518        set_parameters ( set["k"], ref, set["l"] );
519}
520
521void mlognorm::from_setting ( const Setting &set ) {
522        vec mu0;
523        UI::get ( mu0, set, "mu0", UI::compulsory );
524        set_parameters ( mu0.length(), set["k"] );
525        condition ( mu0 );
526}
527
528void mlstudent::condition ( const vec &cond ) {
529        if ( cond.length() > 0 ) {
530                iepdf._mu() = A * cond + mu_const;
531        } else {
532                iepdf._mu() =  mu_const;
533        }
534        double zeta;
535        //ugly hack!
536        if ( ( cond.length() + 1 ) == Lambda.rows() ) {
537                zeta = Lambda.invqform ( concat ( cond, vec_1 ( 1.0 ) ) );
538        } else {
539                zeta = Lambda.invqform ( cond );
540        }
541        _R = Re;
542        _R *= ( 1 + zeta );// / ( nu ); << nu is in Re!!!!!!
543}
544
545void eEmp::qbounds ( vec &lb, vec &ub, double perc ) const {
546        // lb in inf so than it will be pushed below;
547        lb.set_size ( dim );
548        ub.set_size ( dim );
549        lb = std::numeric_limits<double>::infinity();
550        ub = -std::numeric_limits<double>::infinity();
551        int j;
552        for ( int i = 0; i < n; i++ ) {
553                for ( j = 0; j < dim; j++ ) {
554                        if ( samples ( i ) ( j ) < lb ( j ) ) {
555                                lb ( j ) = samples ( i ) ( j );
556                        }
557                        if ( samples ( i ) ( j ) > ub ( j ) ) {
558                                ub ( j ) = samples ( i ) ( j );
559                        }
560                }
561        }
562}
563
564
565};
Note: See TracBrowser for help on using the browser.