Update all #include directives to the currently preferred style.
[pspp-builds.git] / src / math / covariance.c
index b2d43427aae60fa7ff90fb17768266adedc223d7..446ee6621a1e11881c37e5dba04d8d645c1610a8 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /* PSPP - a program for statistical analysis.
-   Copyright (C) 2009 Free Software Foundation, Inc.
+   Copyright (C) 2009, 2010, 2011 Free Software Foundation, Inc.
 
    This program is free software: you can redistribute it and/or modify
    it under the terms of the GNU General Public License as published by
 
 #include <config.h>
 
-#include "covariance.h"
-#include <gl/xalloc.h>
-#include "moments.h"
+#include "math/covariance.h"
+
 #include <gsl/gsl_matrix.h>
-#include <data/case.h>
-#include <data/variable.h>
-#include <libpspp/misc.h>
+
+#include "data/case.h"
+#include "data/variable.h"
+#include "libpspp/assertion.h"
+#include "libpspp/misc.h"
+#include "math/categoricals.h"
+#include "math/moments.h"
+
+#include "gl/xalloc.h"
 
 #define n_MOMENTS (MOMENT_VARIANCE + 1)
 
 
+/* Create a new matrix of NEW_SIZE x NEW_SIZE and copy the elements of
+   matrix IN into it.  IN must be a square matrix, and in normal usage
+   it will be smaller than NEW_SIZE.
+   IN is destroyed by this function.  The return value must be destroyed
+   when no longer required.
+*/
+static gsl_matrix *
+resize_matrix (gsl_matrix *in, size_t new_size)
+{
+  size_t i, j;
+
+  gsl_matrix *out = NULL;
+
+  assert (in->size1 == in->size2);
+
+  if (new_size <= in->size1)
+    return in;
+
+  out = gsl_matrix_calloc (new_size, new_size);
+
+  for (i = 0; i < in->size1; ++i)
+    {
+      for (j = 0; j < in->size2; ++j)
+       {
+         double x = gsl_matrix_get (in, i, j);
+
+         gsl_matrix_set (out, i, j, x);
+       }
+    }
+    
+  gsl_matrix_free (in);
+
+  return out;
+}
+
 struct covariance
 {
-  /* The variables for which the covariance matrix is to be calculated */
+  /* The variables for which the covariance matrix is to be calculated. */
   size_t n_vars;
-  const struct variable **vars;
-  
+  const struct variable *const *vars;
+
+  /* Categorical variables. */
+  struct categoricals *categoricals;
+
+  /* Array containing number of categories per categorical variable. */
+  size_t *n_categories;
+
+  /* Dimension of the covariance matrix. */
+  size_t dim;
+
   /* The weight variable (or NULL if none) */
   const struct variable *wv;
 
@@ -46,6 +95,23 @@ struct covariance
      Only the top triangle is included, and no diagonals */
   double *cm;
   int n_cm;
+
+  /* 1 for single pass algorithm; 
+     2 for double pass algorithm
+  */
+  short passes;
+
+  /*
+    0 : No pass has  been made
+    1 : First pass has been started
+    2 : Second pass has been 
+    
+    IE: How many passes have been (partially) made. */
+  short state;
+
+  /* Flags indicating that the first case has been seen */
+  bool pass_one_first_case_seen;
+  bool pass_two_first_case_seen;
 };
 
 
@@ -65,20 +131,24 @@ covariance_moments (const struct covariance *cov, int m)
 
 
 
-/* Create a covariance struct */
+/* Create a covariance struct.
+ */
 struct covariance *
-covariance_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
-                  const struct variable *weight, enum mv_class exclude)
+covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
+                        const struct variable *weight, enum mv_class exclude)
 {
   size_t i;
-  struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
-  cov->vars = xmalloc (sizeof *cov->vars * n_vars);
+  struct covariance *cov = xzalloc (sizeof *cov);
+
+  cov->passes = 1;
+  cov->state = 0;
+  cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
+  
+  cov->vars = vars;
 
   cov->wv = weight;
   cov->n_vars = n_vars;
-
-  for (i = 0; i < n_vars; ++i)
-    cov->vars[i] = vars[i];
+  cov->dim = n_vars;
 
   cov->moments = xmalloc (sizeof *cov->moments * n_MOMENTS);
   
@@ -89,7 +159,48 @@ covariance_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
 
   cov->n_cm = (n_vars * (n_vars - 1)  ) / 2;
 
-  cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+  if (cov->n_cm > 0)
+    cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+  cov->categoricals = NULL;
+
+  return cov;
+}
+
+/*
+  Create a covariance struct for a two-pass algorithm. If categorical
+  variables are involed, the dimension cannot be know until after the
+  first data pass, so the actual covariances will not be allocated
+  until then.
+ */
+struct covariance *
+covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
+                        struct categoricals *cats,
+                        const struct variable *wv, enum mv_class exclude)
+{
+  size_t i;
+  struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
+
+  cov->passes = 2;
+  cov->state = 0;
+  cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
+  
+  cov->vars = vars;
+
+  cov->wv = wv;
+  cov->n_vars = n_vars;
+  cov->dim = n_vars;
+
+  cov->moments = xmalloc (sizeof *cov->moments * n_MOMENTS);
+  
+  for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
+    cov->moments[i] = gsl_matrix_calloc (n_vars, n_vars);
+
+  cov->exclude = exclude;
+
+  cov->n_cm = -1;
+  cov->cm = NULL;
+
+  cov->categoricals = cats;
 
   return cov;
 }
@@ -104,16 +215,16 @@ static int
 cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
 {
   int as;
-  const int n2j = cov->n_vars - 2 - j;
-  const int nj = cov->n_vars - 2 ;
+  const int n2j = cov->dim - 2 - j;
+  const int nj = cov->dim - 2 ;
   
   assert (i >= 0);
-  assert (j < cov->n_vars);
+  assert (j < cov->dim);
 
   if ( i == 0)
     return -1;
 
-  if (j >= cov->n_vars - 1)
+  if (j >= cov->dim - 1)
     return -1;
 
   if ( i <= j) 
@@ -127,33 +238,252 @@ cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
 }
 
 
+/*
+  Returns true iff the variable corresponding to the Ith element of the covariance matrix 
+   has a missing value for case C
+*/
+static bool
+is_missing (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
+{
+  const struct variable *var = i < cov->n_vars ?
+    cov->vars[i] : 
+    categoricals_get_variable_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
+
+  const union value *val = case_data (c, var);
+
+  return var_is_value_missing (var, val, cov->exclude);
+}
+
+
+static double
+get_val (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
+{
+  if ( i < cov->n_vars)
+    {
+      const struct variable *var = cov->vars[i];
+
+      const union value *val = case_data (c, var);
+
+      return val->f;
+    }
+
+  return categoricals_get_binary_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars, c);
+}
+
+#if 0
+void
+dump_matrix (const gsl_matrix *m)
+{
+  size_t i, j;
+
+  for (i = 0 ; i < m->size1; ++i)
+    {
+      for (j = 0 ; j < m->size2; ++j)
+       printf ("%02f ", gsl_matrix_get (m, i, j));
+      printf ("\n");
+    }
+}
+#endif
+
 /* Call this function for every case in the data set */
 void
+covariance_accumulate_pass1 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
+{
+  size_t i, j, m;
+  const double weight = cov->wv ? case_data (c, cov->wv)->f : 1.0;
+
+  assert (cov->passes == 2);
+  if (!cov->pass_one_first_case_seen)
+    {
+      assert (cov->state == 0);
+      cov->state = 1;
+    }
+
+  if (cov->categoricals)
+    categoricals_update (cov->categoricals, c);
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      double v1 = get_val (cov, i, c);
+
+      if ( is_missing (cov, i, c))
+       continue;
+
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+       {
+         double pwr = 1.0;
+
+         if ( is_missing (cov, j, c))
+           continue;
+
+         for (m = 0 ; m <= MOMENT_MEAN; ++m)
+           {
+             double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
+
+             *x += pwr * weight;
+             pwr *= v1;
+           }
+       }
+    }
+
+  cov->pass_one_first_case_seen = true;
+}
+
+
+/* Call this function for every case in the data set */
+void
+covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
+{
+  size_t i, j;
+  const double weight = cov->wv ? case_data (c, cov->wv)->f : 1.0;
+
+  assert (cov->passes == 2);
+  assert (cov->state >= 1);
+
+  if (! cov->pass_two_first_case_seen)
+    {
+      size_t m;
+      assert (cov->state == 1);
+      cov->state = 2;
+
+      cov->dim = cov->n_vars;
+      
+      if (cov->categoricals)
+       cov->dim += categoricals_total (cov->categoricals) 
+         - categoricals_get_n_variables (cov->categoricals);
+
+      cov->n_cm = (cov->dim * (cov->dim - 1)  ) / 2;
+      cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+
+      /* Grow the moment matrices so that they're large enough to accommodate the
+        categorical elements */
+      for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
+       {
+         cov->moments[i] = resize_matrix (cov->moments[i], cov->dim);
+       }
+
+      if (cov->categoricals)
+       categoricals_done (cov->categoricals);
+
+      /* Populate the moments matrices with the categorical value elements */
+      for (i = cov->n_vars; i < cov->dim; ++i)
+       {
+         for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j) /* FIXME: This is WRONG !!! */
+           {
+             double w = categoricals_get_weight_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
+
+             gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j, w);
+
+             w = categoricals_get_sum_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
+
+             gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j, w);
+           }
+       }
+
+      /* FIXME: This is WRONG!!  It must be fixed to properly handle missing values.  For
+       now it assumes there are none */
+      for (m = 0 ; m < n_MOMENTS; ++m)
+       {
+         for (i = 0 ; i < cov->dim ; ++i)
+           {
+             double x = gsl_matrix_get (cov->moments[m], i, cov->n_vars -1);
+             for (j = cov->n_vars; j < cov->dim; ++j)
+               {
+                 gsl_matrix_set (cov->moments[m], i, j, x);
+               }
+           }
+       }
+
+      /* Divide the means by the number of samples */
+      for (i = 0; i < cov->dim; ++i)
+       {
+         for (j = 0; j < cov->dim; ++j)
+           {
+             double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j);
+             *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
+           }
+       }
+    }
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      double v1 = get_val (cov, i, c);
+
+      if ( is_missing (cov, i, c))
+       continue;
+
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+       {
+         int idx;
+         double ss ;
+         double v2 = get_val (cov, j, c);
+
+         const double s = pow2 (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)) * weight;
+
+         if ( is_missing (cov, j, c))
+           continue;
+
+         {
+           double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
+           *x += s;
+         }
+
+         ss = 
+           (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
+           * 
+           (v2 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
+           * weight
+           ;
+
+         idx = cm_idx (cov, i, j);
+         if (idx >= 0)
+           {
+             cov->cm [idx] += ss;
+           }
+       }
+    }
+
+  cov->pass_two_first_case_seen = true;
+}
+
+
+/* Call this function for every case in the data set.
+   After all cases have been passed, call covariance_calculate
+ */
+void
 covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
 {
   size_t i, j, m;
   const double weight = cov->wv ? case_data (c, cov->wv)->f : 1.0;
 
-  for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+  assert (cov->passes == 1);
+
+  if ( !cov->pass_one_first_case_seen)
+    {
+      assert ( cov->state == 0);
+      cov->state = 1;
+    }
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
     {
       const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
 
-      if ( var_is_value_missing (cov->vars[i], val1, cov->exclude))
+      if ( is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
-      for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
        {
          double pwr = 1.0;
          int idx;
          const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
 
-         if ( var_is_value_missing (cov->vars[j], val2, cov->exclude))
+         if ( is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          idx = cm_idx (cov, i, j);
          if (idx >= 0)
            {
-             cov->cm [idx] += val1->f * val2->f;
+             cov->cm [idx] += val1->f * val2->f * weight;
            }
 
          for (m = 0 ; m < n_MOMENTS; ++m)
@@ -165,6 +495,8 @@ covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
            }
        }
     }
+
+  cov->pass_one_first_case_seen = true;
 }
 
 
@@ -176,12 +508,12 @@ static gsl_matrix *
 cm_to_gsl (struct covariance *cov)
 {
   int i, j;
-  gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->n_vars, cov->n_vars);
+  gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->dim, cov->dim);
 
   /* Copy the non-diagonal elements from cov->cm */
-  for ( j = 0 ; j < cov->n_vars - 1; ++j)
+  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
     {
-      for (i = j+1 ; i < cov->n_vars; ++i)
+      for (i = j+1 ; i < cov->dim; ++i)
        {
          double x = cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
          gsl_matrix_set (m, i, j, x);
@@ -190,7 +522,7 @@ cm_to_gsl (struct covariance *cov)
     }
 
   /* Copy the diagonal elements from cov->moments[2] */
-  for (j = 0 ; j < cov->n_vars ; ++j)
+  for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j)
     {
       double sigma = gsl_matrix_get (cov->moments[2], j, j);
       gsl_matrix_set (m, j, j, sigma);
@@ -200,14 +532,32 @@ cm_to_gsl (struct covariance *cov)
 }
 
 
+static gsl_matrix *
+covariance_calculate_double_pass (struct covariance *cov)
+{
+  size_t i, j;
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+       {
+         int idx;
+         double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
+         *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
+
+         idx = cm_idx (cov, i, j);
+         if ( idx >= 0)
+           {
+             x = &cov->cm [idx];
+             *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
+           }
+       }
+    }
+
+  return  cm_to_gsl (cov);
+}
 
-/* 
-   Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.
-   The matrix remains owned by the COV object, and must not be freed.
-   Call this function only after all data have been accumulated.
-*/
-const gsl_matrix *
-covariance_calculate (struct covariance *cov)
+static gsl_matrix *
+covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
 {
   size_t i, j;
   size_t m;
@@ -217,9 +567,9 @@ covariance_calculate (struct covariance *cov)
       /* Divide the moments by the number of samples */
       if ( m > 0)
        {
-         for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+         for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
            {
-             for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+             for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
                {
                  double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
                  *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
@@ -232,9 +582,9 @@ covariance_calculate (struct covariance *cov)
     }
 
   /* Centre the moments */
-  for ( j = 0 ; j < cov->n_vars - 1; ++j)
+  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
     {
-      for (i = j + 1 ; i < cov->n_vars; ++i)
+      for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
        {
          double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
          
@@ -251,12 +601,128 @@ covariance_calculate (struct covariance *cov)
 }
 
 
+/* Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.  The
+   caller owns the returned matrix and must free it when it is no longer
+   needed.
+
+   Call this function only after all data have been accumulated.  */
+gsl_matrix *
+covariance_calculate (struct covariance *cov)
+{
+  if ( cov->state <= 0 )
+    return NULL;
+
+  switch (cov->passes)
+    {
+    case 1:
+      return covariance_calculate_single_pass (cov);  
+      break;
+    case 2:
+      return covariance_calculate_double_pass (cov);  
+      break;
+    default:
+      NOT_REACHED ();
+    }
+}
+
+/*
+  Covariance computed without dividing by the sample size.
+ */
+static gsl_matrix *
+covariance_calculate_double_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
+{
+  size_t i, j;
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+       {
+         int idx;
+         double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
+
+         idx = cm_idx (cov, i, j);
+         if ( idx >= 0)
+           {
+             x = &cov->cm [idx];
+           }
+       }
+    }
+
+  return  cm_to_gsl (cov);
+}
+
+static gsl_matrix *
+covariance_calculate_single_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
+{
+  size_t i, j;
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+       {
+         double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
+         *x -= pow2 (gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
+           / gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
+       }
+    }
+  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
+    {
+      for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
+       {
+         double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
+         
+         *x -=
+           gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j) 
+           *
+           gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], j, i) 
+         / gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
+       }
+    }
+
+  return cm_to_gsl (cov);
+}
+
+
+/* Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.  The
+   caller owns the returned matrix and must free it when it is no longer
+   needed.
+
+   Call this function only after all data have been accumulated.  */
+gsl_matrix *
+covariance_calculate_unnormalized (struct covariance *cov)
+{
+  if ( cov->state <= 0 )
+    return NULL;
+
+  switch (cov->passes)
+    {
+    case 1:
+      return covariance_calculate_single_pass_unnormalized (cov);  
+      break;
+    case 2:
+      return covariance_calculate_double_pass_unnormalized (cov);  
+      break;
+    default:
+      NOT_REACHED ();
+    }
+}
+
+/* Function to access the categoricals used by COV
+   The return value is owned by the COV
+*/
+const struct categoricals *
+covariance_get_categoricals (const struct covariance *cov)
+{
+  return cov->categoricals;
+}
+
+
 /* Destroy the COV object */
 void
 covariance_destroy (struct covariance *cov)
 {
   size_t i;
-  free (cov->vars);
+
+  categoricals_destroy (cov->categoricals);
 
   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
     gsl_matrix_free (cov->moments[i]);