Free cookie consent management tool by TermsFeed Policy Generator

source: trunk/sources/ALGLIB/linreg.cs @ 2597

Last change on this file since 2597 was 2563, checked in by gkronber, 15 years ago

Updated ALGLIB to latest version. #751 (Plugin for for data-modeling with ANN (integrated into CEDMA))

File size: 44.2 KB
Line 
1/*************************************************************************
2Copyright (c) 2007-2008, Sergey Bochkanov (ALGLIB project).
3
4>>> SOURCE LICENSE >>>
5This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6it under the terms of the GNU General Public License as published by
7the Free Software Foundation (www.fsf.org); either version 2 of the
8License, or (at your option) any later version.
9
10This program is distributed in the hope that it will be useful,
11but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
13GNU General Public License for more details.
14
15A copy of the GNU General Public License is available at
16http://www.fsf.org/licensing/licenses
17
18>>> END OF LICENSE >>>
19*************************************************************************/
20
21using System;
22
23namespace alglib
24{
25    public class linreg
26    {
27        public struct linearmodel
28        {
29            public double[] w;
30        };
31
32
33        /*************************************************************************
34        LRReport structure contains additional information about linear model:
35        * C             -   covariation matrix,  array[0..NVars,0..NVars].
36                            C[i,j] = Cov(A[i],A[j])
37        * RMSError      -   root mean square error on a training set
38        * AvgError      -   average error on a training set
39        * AvgRelError   -   average relative error on a training set (excluding
40                            observations with zero function value).
41        * CVRMSError    -   leave-one-out cross-validation estimate of
42                            generalization error. Calculated using fast algorithm
43                            with O(NVars*NPoints) complexity.
44        * CVAvgError    -   cross-validation estimate of average error
45        * CVAvgRelError -   cross-validation estimate of average relative error
46
47        All other fields of the structure are intended for internal use and should
48        not be used outside ALGLIB.
49        *************************************************************************/
50        public struct lrreport
51        {
52            public double[,] c;
53            public double rmserror;
54            public double avgerror;
55            public double avgrelerror;
56            public double cvrmserror;
57            public double cvavgerror;
58            public double cvavgrelerror;
59            public int ncvdefects;
60            public int[] cvdefects;
61        };
62
63
64
65
66        public const int lrvnum = 5;
67
68
69        /*************************************************************************
70        Linear regression
71
72        Subroutine builds model:
73
74            Y = A(0)*X[0] + ... + A(N-1)*X[N-1] + A(N)
75
76        and model found in ALGLIB format, covariation matrix, training set  errors
77        (rms,  average,  average  relative)   and  leave-one-out  cross-validation
78        estimate of the generalization error. CV  estimate calculated  using  fast
79        algorithm with O(NPoints*NVars) complexity.
80
81        When  covariation  matrix  is  calculated  standard deviations of function
82        values are assumed to be equal to RMS error on the training set.
83
84        INPUT PARAMETERS:
85            XY          -   training set, array [0..NPoints-1,0..NVars]:
86                            * NVars columns - independent variables
87                            * last column - dependent variable
88            NPoints     -   training set size, NPoints>NVars+1
89            NVars       -   number of independent variables
90
91        OUTPUT PARAMETERS:
92            Info        -   return code:
93                            * -255, in case of unknown internal error
94                            * -4, if internal SVD subroutine haven't converged
95                            * -1, if incorrect parameters was passed (NPoints<NVars+2, NVars<1).
96                            *  1, if subroutine successfully finished
97            LM          -   linear model in the ALGLIB format. Use subroutines of
98                            this unit to work with the model.
99            AR          -   additional results
100
101
102          -- ALGLIB --
103             Copyright 02.08.2008 by Bochkanov Sergey
104        *************************************************************************/
105        public static void lrbuild(ref double[,] xy,
106            int npoints,
107            int nvars,
108            ref int info,
109            ref linearmodel lm,
110            ref lrreport ar)
111        {
112            double[] s = new double[0];
113            int i = 0;
114            double sigma2 = 0;
115            int i_ = 0;
116
117            if( npoints<=nvars+1 | nvars<1 )
118            {
119                info = -1;
120                return;
121            }
122            s = new double[npoints-1+1];
123            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
124            {
125                s[i] = 1;
126            }
127            lrbuilds(ref xy, ref s, npoints, nvars, ref info, ref lm, ref ar);
128            if( info<0 )
129            {
130                return;
131            }
132            sigma2 = AP.Math.Sqr(ar.rmserror)*npoints/(npoints-nvars-1);
133            for(i=0; i<=nvars; i++)
134            {
135                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
136                {
137                    ar.c[i,i_] = sigma2*ar.c[i,i_];
138                }
139            }
140        }
141
142
143        /*************************************************************************
144        Linear regression
145
146        Variant of LRBuild which uses vector of standatd deviations (errors in
147        function values).
148
149        INPUT PARAMETERS:
150            XY          -   training set, array [0..NPoints-1,0..NVars]:
151                            * NVars columns - independent variables
152                            * last column - dependent variable
153            S           -   standard deviations (errors in function values)
154                            array[0..NPoints-1], S[i]>0.
155            NPoints     -   training set size, NPoints>NVars+1
156            NVars       -   number of independent variables
157
158        OUTPUT PARAMETERS:
159            Info        -   return code:
160                            * -255, in case of unknown internal error
161                            * -4, if internal SVD subroutine haven't converged
162                            * -1, if incorrect parameters was passed (NPoints<NVars+2, NVars<1).
163                            * -2, if S[I]<=0
164                            *  1, if subroutine successfully finished
165            LM          -   linear model in the ALGLIB format. Use subroutines of
166                            this unit to work with the model.
167            AR          -   additional results
168
169
170          -- ALGLIB --
171             Copyright 02.08.2008 by Bochkanov Sergey
172        *************************************************************************/
173        public static void lrbuilds(ref double[,] xy,
174            ref double[] s,
175            int npoints,
176            int nvars,
177            ref int info,
178            ref linearmodel lm,
179            ref lrreport ar)
180        {
181            double[,] xyi = new double[0,0];
182            double[] x = new double[0];
183            double[] means = new double[0];
184            double[] sigmas = new double[0];
185            int i = 0;
186            int j = 0;
187            double v = 0;
188            int offs = 0;
189            double mean = 0;
190            double variance = 0;
191            double skewness = 0;
192            double kurtosis = 0;
193            int i_ = 0;
194
195           
196            //
197            // Test parameters
198            //
199            if( npoints<=nvars+1 | nvars<1 )
200            {
201                info = -1;
202                return;
203            }
204           
205            //
206            // Copy data, add one more column (constant term)
207            //
208            xyi = new double[npoints-1+1, nvars+1+1];
209            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
210            {
211                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
212                {
213                    xyi[i,i_] = xy[i,i_];
214                }
215                xyi[i,nvars] = 1;
216                xyi[i,nvars+1] = xy[i,nvars];
217            }
218           
219            //
220            // Standartization
221            //
222            x = new double[npoints-1+1];
223            means = new double[nvars-1+1];
224            sigmas = new double[nvars-1+1];
225            for(j=0; j<=nvars-1; j++)
226            {
227                for(i_=0; i_<=npoints-1;i_++)
228                {
229                    x[i_] = xy[i_,j];
230                }
231                descriptivestatistics.calculatemoments(ref x, npoints, ref mean, ref variance, ref skewness, ref kurtosis);
232                means[j] = mean;
233                sigmas[j] = Math.Sqrt(variance);
234                if( (double)(sigmas[j])==(double)(0) )
235                {
236                    sigmas[j] = 1;
237                }
238                for(i=0; i<=npoints-1; i++)
239                {
240                    xyi[i,j] = (xyi[i,j]-means[j])/sigmas[j];
241                }
242            }
243           
244            //
245            // Internal processing
246            //
247            lrinternal(ref xyi, ref s, npoints, nvars+1, ref info, ref lm, ref ar);
248            if( info<0 )
249            {
250                return;
251            }
252           
253            //
254            // Un-standartization
255            //
256            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
257            for(j=0; j<=nvars-1; j++)
258            {
259               
260                //
261                // Constant term is updated (and its covariance too,
262                // since it gets some variance from J-th component)
263                //
264                lm.w[offs+nvars] = lm.w[offs+nvars]-lm.w[offs+j]*means[j]/sigmas[j];
265                v = means[j]/sigmas[j];
266                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
267                {
268                    ar.c[nvars,i_] = ar.c[nvars,i_] - v*ar.c[j,i_];
269                }
270                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
271                {
272                    ar.c[i_,nvars] = ar.c[i_,nvars] - v*ar.c[i_,j];
273                }
274               
275                //
276                // J-th term is updated
277                //
278                lm.w[offs+j] = lm.w[offs+j]/sigmas[j];
279                v = 1/sigmas[j];
280                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
281                {
282                    ar.c[j,i_] = v*ar.c[j,i_];
283                }
284                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
285                {
286                    ar.c[i_,j] = v*ar.c[i_,j];
287                }
288            }
289        }
290
291
292        /*************************************************************************
293        Like LRBuildS, but builds model
294
295            Y = A(0)*X[0] + ... + A(N-1)*X[N-1]
296
297        i.e. with zero constant term.
298
299          -- ALGLIB --
300             Copyright 30.10.2008 by Bochkanov Sergey
301        *************************************************************************/
302        public static void lrbuildzs(ref double[,] xy,
303            ref double[] s,
304            int npoints,
305            int nvars,
306            ref int info,
307            ref linearmodel lm,
308            ref lrreport ar)
309        {
310            double[,] xyi = new double[0,0];
311            double[] x = new double[0];
312            double[] c = new double[0];
313            int i = 0;
314            int j = 0;
315            double v = 0;
316            int offs = 0;
317            double mean = 0;
318            double variance = 0;
319            double skewness = 0;
320            double kurtosis = 0;
321            int i_ = 0;
322
323           
324            //
325            // Test parameters
326            //
327            if( npoints<=nvars+1 | nvars<1 )
328            {
329                info = -1;
330                return;
331            }
332           
333            //
334            // Copy data, add one more column (constant term)
335            //
336            xyi = new double[npoints-1+1, nvars+1+1];
337            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
338            {
339                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
340                {
341                    xyi[i,i_] = xy[i,i_];
342                }
343                xyi[i,nvars] = 0;
344                xyi[i,nvars+1] = xy[i,nvars];
345            }
346           
347            //
348            // Standartization: unusual scaling
349            //
350            x = new double[npoints-1+1];
351            c = new double[nvars-1+1];
352            for(j=0; j<=nvars-1; j++)
353            {
354                for(i_=0; i_<=npoints-1;i_++)
355                {
356                    x[i_] = xy[i_,j];
357                }
358                descriptivestatistics.calculatemoments(ref x, npoints, ref mean, ref variance, ref skewness, ref kurtosis);
359                if( (double)(Math.Abs(mean))>(double)(Math.Sqrt(variance)) )
360                {
361                   
362                    //
363                    // variation is relatively small, it is better to
364                    // bring mean value to 1
365                    //
366                    c[j] = mean;
367                }
368                else
369                {
370                   
371                    //
372                    // variation is large, it is better to bring variance to 1
373                    //
374                    if( (double)(variance)==(double)(0) )
375                    {
376                        variance = 1;
377                    }
378                    c[j] = Math.Sqrt(variance);
379                }
380                for(i=0; i<=npoints-1; i++)
381                {
382                    xyi[i,j] = xyi[i,j]/c[j];
383                }
384            }
385           
386            //
387            // Internal processing
388            //
389            lrinternal(ref xyi, ref s, npoints, nvars+1, ref info, ref lm, ref ar);
390            if( info<0 )
391            {
392                return;
393            }
394           
395            //
396            // Un-standartization
397            //
398            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
399            for(j=0; j<=nvars-1; j++)
400            {
401               
402                //
403                // J-th term is updated
404                //
405                lm.w[offs+j] = lm.w[offs+j]/c[j];
406                v = 1/c[j];
407                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
408                {
409                    ar.c[j,i_] = v*ar.c[j,i_];
410                }
411                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
412                {
413                    ar.c[i_,j] = v*ar.c[i_,j];
414                }
415            }
416        }
417
418
419        /*************************************************************************
420        Like LRBuild but builds model
421
422            Y = A(0)*X[0] + ... + A(N-1)*X[N-1]
423
424        i.e. with zero constant term.
425
426          -- ALGLIB --
427             Copyright 30.10.2008 by Bochkanov Sergey
428        *************************************************************************/
429        public static void lrbuildz(ref double[,] xy,
430            int npoints,
431            int nvars,
432            ref int info,
433            ref linearmodel lm,
434            ref lrreport ar)
435        {
436            double[] s = new double[0];
437            int i = 0;
438            double sigma2 = 0;
439            int i_ = 0;
440
441            if( npoints<=nvars+1 | nvars<1 )
442            {
443                info = -1;
444                return;
445            }
446            s = new double[npoints-1+1];
447            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
448            {
449                s[i] = 1;
450            }
451            lrbuildzs(ref xy, ref s, npoints, nvars, ref info, ref lm, ref ar);
452            if( info<0 )
453            {
454                return;
455            }
456            sigma2 = AP.Math.Sqr(ar.rmserror)*npoints/(npoints-nvars-1);
457            for(i=0; i<=nvars; i++)
458            {
459                for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
460                {
461                    ar.c[i,i_] = sigma2*ar.c[i,i_];
462                }
463            }
464        }
465
466
467        /*************************************************************************
468        Unpacks coefficients of linear model.
469
470        INPUT PARAMETERS:
471            LM          -   linear model in ALGLIB format
472
473        OUTPUT PARAMETERS:
474            V           -   coefficients, array[0..NVars]
475            NVars       -   number of independent variables (one less than number
476                            of coefficients)
477
478          -- ALGLIB --
479             Copyright 30.08.2008 by Bochkanov Sergey
480        *************************************************************************/
481        public static void lrunpack(ref linearmodel lm,
482            ref double[] v,
483            ref int nvars)
484        {
485            int offs = 0;
486            int i_ = 0;
487            int i1_ = 0;
488
489            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(lm.w[1])==lrvnum, "LINREG: Incorrect LINREG version!");
490            nvars = (int)Math.Round(lm.w[2]);
491            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
492            v = new double[nvars+1];
493            i1_ = (offs) - (0);
494            for(i_=0; i_<=nvars;i_++)
495            {
496                v[i_] = lm.w[i_+i1_];
497            }
498        }
499
500
501        /*************************************************************************
502        "Packs" coefficients and creates linear model in ALGLIB format (LRUnpack
503        reversed).
504
505        INPUT PARAMETERS:
506            V           -   coefficients, array[0..NVars]
507            NVars       -   number of independent variables
508
509        OUTPUT PAREMETERS:
510            LM          -   linear model.
511
512          -- ALGLIB --
513             Copyright 30.08.2008 by Bochkanov Sergey
514        *************************************************************************/
515        public static void lrpack(ref double[] v,
516            int nvars,
517            ref linearmodel lm)
518        {
519            int offs = 0;
520            int i_ = 0;
521            int i1_ = 0;
522
523            lm.w = new double[4+nvars+1];
524            offs = 4;
525            lm.w[0] = 4+nvars+1;
526            lm.w[1] = lrvnum;
527            lm.w[2] = nvars;
528            lm.w[3] = offs;
529            i1_ = (0) - (offs);
530            for(i_=offs; i_<=offs+nvars;i_++)
531            {
532                lm.w[i_] = v[i_+i1_];
533            }
534        }
535
536
537        /*************************************************************************
538        Procesing
539
540        INPUT PARAMETERS:
541            LM      -   linear model
542            X       -   input vector,  array[0..NVars-1].
543
544        Result:
545            value of linear model regression estimate
546
547          -- ALGLIB --
548             Copyright 03.09.2008 by Bochkanov Sergey
549        *************************************************************************/
550        public static double lrprocess(ref linearmodel lm,
551            ref double[] x)
552        {
553            double result = 0;
554            double v = 0;
555            int offs = 0;
556            int nvars = 0;
557            int i_ = 0;
558            int i1_ = 0;
559
560            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(lm.w[1])==lrvnum, "LINREG: Incorrect LINREG version!");
561            nvars = (int)Math.Round(lm.w[2]);
562            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
563            i1_ = (offs)-(0);
564            v = 0.0;
565            for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
566            {
567                v += x[i_]*lm.w[i_+i1_];
568            }
569            result = v+lm.w[offs+nvars];
570            return result;
571        }
572
573
574        /*************************************************************************
575        RMS error on the test set
576
577        INPUT PARAMETERS:
578            LM      -   linear model
579            XY      -   test set
580            NPoints -   test set size
581
582        RESULT:
583            root mean square error.
584
585          -- ALGLIB --
586             Copyright 30.08.2008 by Bochkanov Sergey
587        *************************************************************************/
588        public static double lrrmserror(ref linearmodel lm,
589            ref double[,] xy,
590            int npoints)
591        {
592            double result = 0;
593            int i = 0;
594            double v = 0;
595            int offs = 0;
596            int nvars = 0;
597            int i_ = 0;
598            int i1_ = 0;
599
600            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(lm.w[1])==lrvnum, "LINREG: Incorrect LINREG version!");
601            nvars = (int)Math.Round(lm.w[2]);
602            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
603            result = 0;
604            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
605            {
606                i1_ = (offs)-(0);
607                v = 0.0;
608                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
609                {
610                    v += xy[i,i_]*lm.w[i_+i1_];
611                }
612                v = v+lm.w[offs+nvars];
613                result = result+AP.Math.Sqr(v-xy[i,nvars]);
614            }
615            result = Math.Sqrt(result/npoints);
616            return result;
617        }
618
619
620        /*************************************************************************
621        Average error on the test set
622
623        INPUT PARAMETERS:
624            LM      -   linear model
625            XY      -   test set
626            NPoints -   test set size
627
628        RESULT:
629            average error.
630
631          -- ALGLIB --
632             Copyright 30.08.2008 by Bochkanov Sergey
633        *************************************************************************/
634        public static double lravgerror(ref linearmodel lm,
635            ref double[,] xy,
636            int npoints)
637        {
638            double result = 0;
639            int i = 0;
640            double v = 0;
641            int offs = 0;
642            int nvars = 0;
643            int i_ = 0;
644            int i1_ = 0;
645
646            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(lm.w[1])==lrvnum, "LINREG: Incorrect LINREG version!");
647            nvars = (int)Math.Round(lm.w[2]);
648            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
649            result = 0;
650            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
651            {
652                i1_ = (offs)-(0);
653                v = 0.0;
654                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
655                {
656                    v += xy[i,i_]*lm.w[i_+i1_];
657                }
658                v = v+lm.w[offs+nvars];
659                result = result+Math.Abs(v-xy[i,nvars]);
660            }
661            result = result/npoints;
662            return result;
663        }
664
665
666        /*************************************************************************
667        RMS error on the test set
668
669        INPUT PARAMETERS:
670            LM      -   linear model
671            XY      -   test set
672            NPoints -   test set size
673
674        RESULT:
675            average relative error.
676
677          -- ALGLIB --
678             Copyright 30.08.2008 by Bochkanov Sergey
679        *************************************************************************/
680        public static double lravgrelerror(ref linearmodel lm,
681            ref double[,] xy,
682            int npoints)
683        {
684            double result = 0;
685            int i = 0;
686            int k = 0;
687            double v = 0;
688            int offs = 0;
689            int nvars = 0;
690            int i_ = 0;
691            int i1_ = 0;
692
693            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(lm.w[1])==lrvnum, "LINREG: Incorrect LINREG version!");
694            nvars = (int)Math.Round(lm.w[2]);
695            offs = (int)Math.Round(lm.w[3]);
696            result = 0;
697            k = 0;
698            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
699            {
700                if( (double)(xy[i,nvars])!=(double)(0) )
701                {
702                    i1_ = (offs)-(0);
703                    v = 0.0;
704                    for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
705                    {
706                        v += xy[i,i_]*lm.w[i_+i1_];
707                    }
708                    v = v+lm.w[offs+nvars];
709                    result = result+Math.Abs((v-xy[i,nvars])/xy[i,nvars]);
710                    k = k+1;
711                }
712            }
713            if( k!=0 )
714            {
715                result = result/k;
716            }
717            return result;
718        }
719
720
721        /*************************************************************************
722        Copying of LinearModel strucure
723
724        INPUT PARAMETERS:
725            LM1 -   original
726
727        OUTPUT PARAMETERS:
728            LM2 -   copy
729
730          -- ALGLIB --
731             Copyright 15.03.2009 by Bochkanov Sergey
732        *************************************************************************/
733        public static void lrcopy(ref linearmodel lm1,
734            ref linearmodel lm2)
735        {
736            int k = 0;
737            int i_ = 0;
738
739            k = (int)Math.Round(lm1.w[0]);
740            lm2.w = new double[k-1+1];
741            for(i_=0; i_<=k-1;i_++)
742            {
743                lm2.w[i_] = lm1.w[i_];
744            }
745        }
746
747
748        /*************************************************************************
749        Serialization of LinearModel strucure
750
751        INPUT PARAMETERS:
752            LM      -   original
753
754        OUTPUT PARAMETERS:
755            RA      -   array of real numbers which stores model,
756                        array[0..RLen-1]
757            RLen    -   RA lenght
758
759          -- ALGLIB --
760             Copyright 15.03.2009 by Bochkanov Sergey
761        *************************************************************************/
762        public static void lrserialize(ref linearmodel lm,
763            ref double[] ra,
764            ref int rlen)
765        {
766            int i_ = 0;
767            int i1_ = 0;
768
769            rlen = (int)Math.Round(lm.w[0])+1;
770            ra = new double[rlen-1+1];
771            ra[0] = lrvnum;
772            i1_ = (0) - (1);
773            for(i_=1; i_<=rlen-1;i_++)
774            {
775                ra[i_] = lm.w[i_+i1_];
776            }
777        }
778
779
780        /*************************************************************************
781        Unserialization of DecisionForest strucure
782
783        INPUT PARAMETERS:
784            RA      -   real array which stores decision forest
785
786        OUTPUT PARAMETERS:
787            LM      -   unserialized structure
788
789          -- ALGLIB --
790             Copyright 15.03.2009 by Bochkanov Sergey
791        *************************************************************************/
792        public static void lrunserialize(ref double[] ra,
793            ref linearmodel lm)
794        {
795            int i_ = 0;
796            int i1_ = 0;
797
798            System.Diagnostics.Debug.Assert((int)Math.Round(ra[0])==lrvnum, "LRUnserialize: incorrect array!");
799            lm.w = new double[(int)Math.Round(ra[1])-1+1];
800            i1_ = (1) - (0);
801            for(i_=0; i_<=(int)Math.Round(ra[1])-1;i_++)
802            {
803                lm.w[i_] = ra[i_+i1_];
804            }
805        }
806
807
808        public static void lrlines(ref double[,] xy,
809            ref double[] s,
810            int n,
811            ref int info,
812            ref double a,
813            ref double b,
814            ref double vara,
815            ref double varb,
816            ref double covab,
817            ref double corrab,
818            ref double p)
819        {
820            int i = 0;
821            double ss = 0;
822            double sx = 0;
823            double sxx = 0;
824            double sy = 0;
825            double stt = 0;
826            double e1 = 0;
827            double e2 = 0;
828            double t = 0;
829            double chi2 = 0;
830
831            if( n<2 )
832            {
833                info = -1;
834                return;
835            }
836            for(i=0; i<=n-1; i++)
837            {
838                if( (double)(s[i])<=(double)(0) )
839                {
840                    info = -2;
841                    return;
842                }
843            }
844            info = 1;
845           
846            //
847            // Calculate S, SX, SY, SXX
848            //
849            ss = 0;
850            sx = 0;
851            sy = 0;
852            sxx = 0;
853            for(i=0; i<=n-1; i++)
854            {
855                t = AP.Math.Sqr(s[i]);
856                ss = ss+1/t;
857                sx = sx+xy[i,0]/t;
858                sy = sy+xy[i,1]/t;
859                sxx = sxx+AP.Math.Sqr(xy[i,0])/t;
860            }
861           
862            //
863            // Test for condition number
864            //
865            t = Math.Sqrt(4*AP.Math.Sqr(sx)+AP.Math.Sqr(ss-sxx));
866            e1 = 0.5*(ss+sxx+t);
867            e2 = 0.5*(ss+sxx-t);
868            if( (double)(Math.Min(e1, e2))<=(double)(1000*AP.Math.MachineEpsilon*Math.Max(e1, e2)) )
869            {
870                info = -3;
871                return;
872            }
873           
874            //
875            // Calculate A, B
876            //
877            a = 0;
878            b = 0;
879            stt = 0;
880            for(i=0; i<=n-1; i++)
881            {
882                t = (xy[i,0]-sx/ss)/s[i];
883                b = b+t*xy[i,1]/s[i];
884                stt = stt+AP.Math.Sqr(t);
885            }
886            b = b/stt;
887            a = (sy-sx*b)/ss;
888           
889            //
890            // Calculate goodness-of-fit
891            //
892            if( n>2 )
893            {
894                chi2 = 0;
895                for(i=0; i<=n-1; i++)
896                {
897                    chi2 = chi2+AP.Math.Sqr((xy[i,1]-a-b*xy[i,0])/s[i]);
898                }
899                p = igammaf.incompletegammac(((double)(n-2))/(double)(2), chi2/2);
900            }
901            else
902            {
903                p = 1;
904            }
905           
906            //
907            // Calculate other parameters
908            //
909            vara = (1+AP.Math.Sqr(sx)/(ss*stt))/ss;
910            varb = 1/stt;
911            covab = -(sx/(ss*stt));
912            corrab = covab/Math.Sqrt(vara*varb);
913        }
914
915
916        public static void lrline(ref double[,] xy,
917            int n,
918            ref int info,
919            ref double a,
920            ref double b)
921        {
922            double[] s = new double[0];
923            int i = 0;
924            double vara = 0;
925            double varb = 0;
926            double covab = 0;
927            double corrab = 0;
928            double p = 0;
929
930            if( n<2 )
931            {
932                info = -1;
933                return;
934            }
935            s = new double[n-1+1];
936            for(i=0; i<=n-1; i++)
937            {
938                s[i] = 1;
939            }
940            lrlines(ref xy, ref s, n, ref info, ref a, ref b, ref vara, ref varb, ref covab, ref corrab, ref p);
941        }
942
943
944        /*************************************************************************
945        Internal linear regression subroutine
946        *************************************************************************/
947        private static void lrinternal(ref double[,] xy,
948            ref double[] s,
949            int npoints,
950            int nvars,
951            ref int info,
952            ref linearmodel lm,
953            ref lrreport ar)
954        {
955            double[,] a = new double[0,0];
956            double[,] u = new double[0,0];
957            double[,] vt = new double[0,0];
958            double[,] vm = new double[0,0];
959            double[,] xym = new double[0,0];
960            double[] b = new double[0];
961            double[] sv = new double[0];
962            double[] t = new double[0];
963            double[] svi = new double[0];
964            double[] work = new double[0];
965            int i = 0;
966            int j = 0;
967            int k = 0;
968            int ncv = 0;
969            int na = 0;
970            int nacv = 0;
971            double r = 0;
972            double p = 0;
973            double epstol = 0;
974            lrreport ar2 = new lrreport();
975            int offs = 0;
976            linearmodel tlm = new linearmodel();
977            int i_ = 0;
978            int i1_ = 0;
979
980            epstol = 1000;
981           
982            //
983            // Check for errors in data
984            //
985            if( npoints<nvars | nvars<1 )
986            {
987                info = -1;
988                return;
989            }
990            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
991            {
992                if( (double)(s[i])<=(double)(0) )
993                {
994                    info = -2;
995                    return;
996                }
997            }
998            info = 1;
999           
1000            //
1001            // Create design matrix
1002            //
1003            a = new double[npoints-1+1, nvars-1+1];
1004            b = new double[npoints-1+1];
1005            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
1006            {
1007                r = 1/s[i];
1008                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1009                {
1010                    a[i,i_] = r*xy[i,i_];
1011                }
1012                b[i] = xy[i,nvars]/s[i];
1013            }
1014           
1015            //
1016            // Allocate W:
1017            // W[0]     array size
1018            // W[1]     version number, 0
1019            // W[2]     NVars (minus 1, to be compatible with external representation)
1020            // W[3]     coefficients offset
1021            //
1022            lm.w = new double[4+nvars-1+1];
1023            offs = 4;
1024            lm.w[0] = 4+nvars;
1025            lm.w[1] = lrvnum;
1026            lm.w[2] = nvars-1;
1027            lm.w[3] = offs;
1028           
1029            //
1030            // Solve problem using SVD:
1031            //
1032            // 0. check for degeneracy (different types)
1033            // 1. A = U*diag(sv)*V'
1034            // 2. T = b'*U
1035            // 3. w = SUM((T[i]/sv[i])*V[..,i])
1036            // 4. cov(wi,wj) = SUM(Vji*Vjk/sv[i]^2,K=1..M)
1037            //
1038            // see $15.4 of "Numerical Recipes in C" for more information
1039            //
1040            t = new double[nvars-1+1];
1041            svi = new double[nvars-1+1];
1042            ar.c = new double[nvars-1+1, nvars-1+1];
1043            vm = new double[nvars-1+1, nvars-1+1];
1044            if( !svd.rmatrixsvd(a, npoints, nvars, 1, 1, 2, ref sv, ref u, ref vt) )
1045            {
1046                info = -4;
1047                return;
1048            }
1049            if( (double)(sv[0])<=(double)(0) )
1050            {
1051               
1052                //
1053                // Degenerate case: zero design matrix.
1054                //
1055                for(i=offs; i<=offs+nvars-1; i++)
1056                {
1057                    lm.w[i] = 0;
1058                }
1059                ar.rmserror = lrrmserror(ref lm, ref xy, npoints);
1060                ar.avgerror = lravgerror(ref lm, ref xy, npoints);
1061                ar.avgrelerror = lravgrelerror(ref lm, ref xy, npoints);
1062                ar.cvrmserror = ar.rmserror;
1063                ar.cvavgerror = ar.avgerror;
1064                ar.cvavgrelerror = ar.avgrelerror;
1065                ar.ncvdefects = 0;
1066                ar.cvdefects = new int[nvars-1+1];
1067                ar.c = new double[nvars-1+1, nvars-1+1];
1068                for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1069                {
1070                    for(j=0; j<=nvars-1; j++)
1071                    {
1072                        ar.c[i,j] = 0;
1073                    }
1074                }
1075                return;
1076            }
1077            if( (double)(sv[nvars-1])<=(double)(epstol*AP.Math.MachineEpsilon*sv[0]) )
1078            {
1079               
1080                //
1081                // Degenerate case, non-zero design matrix.
1082                //
1083                // We can leave it and solve task in SVD least squares fashion.
1084                // Solution and covariance matrix will be obtained correctly,
1085                // but CV error estimates - will not. It is better to reduce
1086                // it to non-degenerate task and to obtain correct CV estimates.
1087                //
1088                for(k=nvars; k>=1; k--)
1089                {
1090                    if( (double)(sv[k-1])>(double)(epstol*AP.Math.MachineEpsilon*sv[0]) )
1091                    {
1092                       
1093                        //
1094                        // Reduce
1095                        //
1096                        xym = new double[npoints-1+1, k+1];
1097                        for(i=0; i<=npoints-1; i++)
1098                        {
1099                            for(j=0; j<=k-1; j++)
1100                            {
1101                                r = 0.0;
1102                                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1103                                {
1104                                    r += xy[i,i_]*vt[j,i_];
1105                                }
1106                                xym[i,j] = r;
1107                            }
1108                            xym[i,k] = xy[i,nvars];
1109                        }
1110                       
1111                        //
1112                        // Solve
1113                        //
1114                        lrinternal(ref xym, ref s, npoints, k, ref info, ref tlm, ref ar2);
1115                        if( info!=1 )
1116                        {
1117                            return;
1118                        }
1119                       
1120                        //
1121                        // Convert back to un-reduced format
1122                        //
1123                        for(j=0; j<=nvars-1; j++)
1124                        {
1125                            lm.w[offs+j] = 0;
1126                        }
1127                        for(j=0; j<=k-1; j++)
1128                        {
1129                            r = tlm.w[offs+j];
1130                            i1_ = (0) - (offs);
1131                            for(i_=offs; i_<=offs+nvars-1;i_++)
1132                            {
1133                                lm.w[i_] = lm.w[i_] + r*vt[j,i_+i1_];
1134                            }
1135                        }
1136                        ar.rmserror = ar2.rmserror;
1137                        ar.avgerror = ar2.avgerror;
1138                        ar.avgrelerror = ar2.avgrelerror;
1139                        ar.cvrmserror = ar2.cvrmserror;
1140                        ar.cvavgerror = ar2.cvavgerror;
1141                        ar.cvavgrelerror = ar2.cvavgrelerror;
1142                        ar.ncvdefects = ar2.ncvdefects;
1143                        ar.cvdefects = new int[nvars-1+1];
1144                        for(j=0; j<=ar.ncvdefects-1; j++)
1145                        {
1146                            ar.cvdefects[j] = ar2.cvdefects[j];
1147                        }
1148                        ar.c = new double[nvars-1+1, nvars-1+1];
1149                        work = new double[nvars+1];
1150                        blas.matrixmatrixmultiply(ref ar2.c, 0, k-1, 0, k-1, false, ref vt, 0, k-1, 0, nvars-1, false, 1.0, ref vm, 0, k-1, 0, nvars-1, 0.0, ref work);
1151                        blas.matrixmatrixmultiply(ref vt, 0, k-1, 0, nvars-1, true, ref vm, 0, k-1, 0, nvars-1, false, 1.0, ref ar.c, 0, nvars-1, 0, nvars-1, 0.0, ref work);
1152                        return;
1153                    }
1154                }
1155                info = -255;
1156                return;
1157            }
1158            for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1159            {
1160                if( (double)(sv[i])>(double)(epstol*AP.Math.MachineEpsilon*sv[0]) )
1161                {
1162                    svi[i] = 1/sv[i];
1163                }
1164                else
1165                {
1166                    svi[i] = 0;
1167                }
1168            }
1169            for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1170            {
1171                t[i] = 0;
1172            }
1173            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
1174            {
1175                r = b[i];
1176                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1177                {
1178                    t[i_] = t[i_] + r*u[i,i_];
1179                }
1180            }
1181            for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1182            {
1183                lm.w[offs+i] = 0;
1184            }
1185            for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1186            {
1187                r = t[i]*svi[i];
1188                i1_ = (0) - (offs);
1189                for(i_=offs; i_<=offs+nvars-1;i_++)
1190                {
1191                    lm.w[i_] = lm.w[i_] + r*vt[i,i_+i1_];
1192                }
1193            }
1194            for(j=0; j<=nvars-1; j++)
1195            {
1196                r = svi[j];
1197                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1198                {
1199                    vm[i_,j] = r*vt[j,i_];
1200                }
1201            }
1202            for(i=0; i<=nvars-1; i++)
1203            {
1204                for(j=i; j<=nvars-1; j++)
1205                {
1206                    r = 0.0;
1207                    for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1208                    {
1209                        r += vm[i,i_]*vm[j,i_];
1210                    }
1211                    ar.c[i,j] = r;
1212                    ar.c[j,i] = r;
1213                }
1214            }
1215           
1216            //
1217            // Leave-1-out cross-validation error.
1218            //
1219            // NOTATIONS:
1220            // A            design matrix
1221            // A*x = b      original linear least squares task
1222            // U*S*V'       SVD of A
1223            // ai           i-th row of the A
1224            // bi           i-th element of the b
1225            // xf           solution of the original LLS task
1226            //
1227            // Cross-validation error of i-th element from a sample is
1228            // calculated using following formula:
1229            //
1230            //     ERRi = ai*xf - (ai*xf-bi*(ui*ui'))/(1-ui*ui')     (1)
1231            //
1232            // This formula can be derived from normal equations of the
1233            // original task
1234            //
1235            //     (A'*A)x = A'*b                                    (2)
1236            //
1237            // by applying modification (zeroing out i-th row of A) to (2):
1238            //
1239            //     (A-ai)'*(A-ai) = (A-ai)'*b
1240            //
1241            // and using Sherman-Morrison formula for updating matrix inverse
1242            //
1243            // NOTE 1: b is not zeroed out since it is much simpler and
1244            // does not influence final result.
1245            //
1246            // NOTE 2: some design matrices A have such ui that 1-ui*ui'=0.
1247            // Formula (1) can't be applied for such cases and they are skipped
1248            // from CV calculation (which distorts resulting CV estimate).
1249            // But from the properties of U we can conclude that there can
1250            // be no more than NVars such vectors. Usually
1251            // NVars << NPoints, so in a normal case it only slightly
1252            // influences result.
1253            //
1254            ncv = 0;
1255            na = 0;
1256            nacv = 0;
1257            ar.rmserror = 0;
1258            ar.avgerror = 0;
1259            ar.avgrelerror = 0;
1260            ar.cvrmserror = 0;
1261            ar.cvavgerror = 0;
1262            ar.cvavgrelerror = 0;
1263            ar.ncvdefects = 0;
1264            ar.cvdefects = new int[nvars-1+1];
1265            for(i=0; i<=npoints-1; i++)
1266            {
1267               
1268                //
1269                // Error on a training set
1270                //
1271                i1_ = (offs)-(0);
1272                r = 0.0;
1273                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1274                {
1275                    r += xy[i,i_]*lm.w[i_+i1_];
1276                }
1277                ar.rmserror = ar.rmserror+AP.Math.Sqr(r-xy[i,nvars]);
1278                ar.avgerror = ar.avgerror+Math.Abs(r-xy[i,nvars]);
1279                if( (double)(xy[i,nvars])!=(double)(0) )
1280                {
1281                    ar.avgrelerror = ar.avgrelerror+Math.Abs((r-xy[i,nvars])/xy[i,nvars]);
1282                    na = na+1;
1283                }
1284               
1285                //
1286                // Error using fast leave-one-out cross-validation
1287                //
1288                p = 0.0;
1289                for(i_=0; i_<=nvars-1;i_++)
1290                {
1291                    p += u[i,i_]*u[i,i_];
1292                }
1293                if( (double)(p)>(double)(1-epstol*AP.Math.MachineEpsilon) )
1294                {
1295                    ar.cvdefects[ar.ncvdefects] = i;
1296                    ar.ncvdefects = ar.ncvdefects+1;
1297                    continue;
1298                }
1299                r = s[i]*(r/s[i]-b[i]*p)/(1-p);
1300                ar.cvrmserror = ar.cvrmserror+AP.Math.Sqr(r-xy[i,nvars]);
1301                ar.cvavgerror = ar.cvavgerror+Math.Abs(r-xy[i,nvars]);
1302                if( (double)(xy[i,nvars])!=(double)(0) )
1303                {
1304                    ar.cvavgrelerror = ar.cvavgrelerror+Math.Abs((r-xy[i,nvars])/xy[i,nvars]);
1305                    nacv = nacv+1;
1306                }
1307                ncv = ncv+1;
1308            }
1309            if( ncv==0 )
1310            {
1311               
1312                //
1313                // Something strange: ALL ui are degenerate.
1314                // Unexpected...
1315                //
1316                info = -255;
1317                return;
1318            }
1319            ar.rmserror = Math.Sqrt(ar.rmserror/npoints);
1320            ar.avgerror = ar.avgerror/npoints;
1321            if( na!=0 )
1322            {
1323                ar.avgrelerror = ar.avgrelerror/na;
1324            }
1325            ar.cvrmserror = Math.Sqrt(ar.cvrmserror/ncv);
1326            ar.cvavgerror = ar.cvavgerror/ncv;
1327            if( nacv!=0 )
1328            {
1329                ar.cvavgrelerror = ar.cvavgrelerror/nacv;
1330            }
1331        }
1332    }
1333}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.