domains work
[pspp] / src / math / covariance.c
1 /* PSPP - a program for statistical analysis.
2    Copyright (C) 2009, 2010, 2011 Free Software Foundation, Inc.
3
4    This program is free software: you can redistribute it and/or modify
5    it under the terms of the GNU General Public License as published by
6    the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7    (at your option) any later version.
8
9    This program is distributed in the hope that it will be useful,
10    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12    GNU General Public License for more details.
13
14    You should have received a copy of the GNU General Public License
15    along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>. */
16
17 #include <config.h>
18
19 #include "math/covariance.h"
20
21 #include <gsl/gsl_matrix.h>
22
23 #include "data/case.h"
24 #include "data/variable.h"
25 #include "libpspp/assertion.h"
26 #include "libpspp/misc.h"
27 #include "math/categoricals.h"
28 #include "math/interaction.h"
29 #include "math/moments.h"
30
31 #include "gl/xalloc.h"
32
33 #define n_MOMENTS (MOMENT_VARIANCE + 1)
34
35
36 /* Create a new matrix of NEW_SIZE x NEW_SIZE and copy the elements of
37    matrix IN into it.  IN must be a square matrix, and in normal usage
38    it will be smaller than NEW_SIZE.
39    IN is destroyed by this function.  The return value must be destroyed
40    when no longer required.
41 */
42 static gsl_matrix *
43 resize_matrix (gsl_matrix *in, size_t new_size)
44 {
45   size_t i, j;
46
47   gsl_matrix *out = NULL;
48
49   assert (in->size1 == in->size2);
50
51   if (new_size <= in->size1)
52     return in;
53
54   out = gsl_matrix_calloc (new_size, new_size);
55
56   for (i = 0; i < in->size1; ++i)
57     {
58       for (j = 0; j < in->size2; ++j)
59         {
60           double x = gsl_matrix_get (in, i, j);
61
62           gsl_matrix_set (out, i, j, x);
63         }
64     }
65
66   gsl_matrix_free (in);
67
68   return out;
69 }
70
71 struct covariance
72 {
73   /* True if the covariances are centerered. (ie Real covariances) */
74   bool centered;
75
76   /* The variables for which the covariance matrix is to be calculated. */
77   size_t n_vars;
78   const struct variable *const *vars;
79
80   /* Categorical variables. */
81   struct categoricals *categoricals;
82
83   /* Array containing number of categories per categorical variable. */
84   size_t *n_categories;
85
86   /* Dimension of the covariance matrix. */
87   size_t dim;
88
89   /* The weight variable (or NULL if none) */
90   const struct variable *wv;
91
92   /* A set of matrices containing the 0th, 1st and 2nd moments */
93   gsl_matrix **moments;
94
95   /* The class of missing values to exclude */
96   enum mv_class exclude;
97
98   /* An array of doubles representing the covariance matrix.
99      Only the top triangle is included, and no diagonals */
100   double *cm;
101   int n_cm;
102
103   /* 1 for single pass algorithm;
104      2 for double pass algorithm
105   */
106   short passes;
107
108   /*
109     0 : No pass has  been made
110     1 : First pass has been started
111     2 : Second pass has been
112
113     IE: How many passes have been (partially) made. */
114   short state;
115
116   /* Flags indicating that the first case has been seen */
117   bool pass_one_first_case_seen;
118   bool pass_two_first_case_seen;
119
120   gsl_matrix *unnormalised;
121 };
122
123
124
125 /* Return a matrix containing the M th moments.
126    The matrix is of size  NxN where N is the number of variables.
127    Each row represents the moments of a variable.
128    In the absence of missing values, the columns of this matrix will
129    be identical.  If missing values are involved, then element (i,j)
130    is the moment of the i th variable, when paired with the j th variable.
131  */
132 gsl_matrix *
133 covariance_moments (const struct covariance *cov, int m)
134 {
135   return cov->moments[m];
136 }
137
138
139
140 /* Create a covariance struct.
141  */
142 struct covariance *
143 covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
144                          const struct variable *weight, enum mv_class exclude,
145                          bool centered)
146 {
147   size_t i;
148   struct covariance *cov = XZALLOC (struct covariance);
149
150   cov->centered = centered;
151   cov->passes = 1;
152   cov->state = 0;
153   cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
154
155   cov->vars = vars;
156
157   cov->wv = weight;
158   cov->n_vars = n_vars;
159   cov->dim = n_vars;
160
161   cov->moments = xmalloc (sizeof *cov->moments * n_MOMENTS);
162
163   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
164     cov->moments[i] = gsl_matrix_calloc (n_vars, n_vars);
165
166   cov->exclude = exclude;
167
168   cov->n_cm = (n_vars * (n_vars - 1)) / 2;
169
170
171   cov->cm = xcalloc (cov->n_cm, sizeof *cov->cm);
172   cov->categoricals = NULL;
173
174   return cov;
175 }
176
177 /*
178   Create a covariance struct for a two-pass algorithm. If categorical
179   variables are involed, the dimension cannot be know until after the
180   first data pass, so the actual covariances will not be allocated
181   until then.
182  */
183 struct covariance *
184 covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
185                          struct categoricals *cats,
186                          const struct variable *wv, enum mv_class exclude,
187                          bool centered)
188 {
189   size_t i;
190   struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
191
192   cov->centered = centered;
193   cov->passes = 2;
194   cov->state = 0;
195   cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
196
197   cov->vars = vars;
198
199   cov->wv = wv;
200   cov->n_vars = n_vars;
201   cov->dim = n_vars;
202
203   cov->moments = xmalloc (sizeof *cov->moments * n_MOMENTS);
204
205   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
206     cov->moments[i] = gsl_matrix_calloc (n_vars, n_vars);
207
208   cov->exclude = exclude;
209
210   cov->n_cm = -1;
211   cov->cm = NULL;
212
213   cov->categoricals = cats;
214   cov->unnormalised = NULL;
215
216   return cov;
217 }
218
219 /* Return an integer, which can be used to index
220    into COV->cm, to obtain the I, J th element
221    of the covariance matrix.  If COV->cm does not
222    contain that element, then a negative value
223    will be returned.
224 */
225 static int
226 cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
227 {
228   int as;
229   const int n2j = cov->dim - 2 - j;
230   const int nj = cov->dim - 2 ;
231
232   assert (i >= 0);
233   assert (j < cov->dim);
234
235   if (i == 0)
236     return -1;
237
238   if (j >= cov->dim - 1)
239     return -1;
240
241   if (i <= j)
242     return -1 ;
243
244   as = nj * (nj + 1) ;
245   as -= n2j * (n2j + 1) ;
246   as /= 2;
247
248   return i - 1 + as;
249 }
250
251
252 /*
253   Returns true iff the variable corresponding to the Ith element of the covariance matrix
254    has a missing value for case C
255 */
256 static bool
257 is_missing (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
258 {
259   const struct variable *var = i < cov->n_vars ?
260     cov->vars[i] :
261     categoricals_get_interaction_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars)->vars[0];
262
263   const union value *val = case_data (c, var);
264
265   return (var_is_value_missing (var, val) & cov->exclude) != 0;
266 }
267
268
269 static double
270 get_val (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
271 {
272   if (i < cov->n_vars)
273     {
274       const struct variable *var = cov->vars[i];
275
276       const union value *val = case_data (c, var);
277
278       return val->f;
279     }
280
281   return categoricals_get_effects_code_for_case (cov->categoricals, i - cov->n_vars, c);
282 }
283
284 #if 0
285 void
286 dump_matrix (const gsl_matrix *m)
287 {
288   size_t i, j;
289
290   for (i = 0 ; i < m->size1; ++i)
291     {
292       for (j = 0 ; j < m->size2; ++j)
293         printf ("%02f ", gsl_matrix_get (m, i, j));
294       printf ("\n");
295     }
296 }
297 #endif
298
299 /* Call this function for every case in the data set */
300 void
301 covariance_accumulate_pass1 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
302 {
303   size_t i, j, m;
304   const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
305
306   assert (cov->passes == 2);
307   if (!cov->pass_one_first_case_seen)
308     {
309       assert (cov->state == 0);
310       cov->state = 1;
311     }
312
313   if (cov->categoricals)
314     categoricals_update (cov->categoricals, c);
315
316   for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
317     {
318       double v1 = get_val (cov, i, c);
319
320       if (is_missing (cov, i, c))
321         continue;
322
323       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
324         {
325           double pwr = 1.0;
326
327           if (is_missing (cov, j, c))
328             continue;
329
330           for (m = 0 ; m <= MOMENT_MEAN; ++m)
331             {
332               double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
333
334               *x += pwr * weight;
335               pwr *= v1;
336             }
337         }
338     }
339
340   cov->pass_one_first_case_seen = true;
341 }
342
343
344 /* Call this function for every case in the data set */
345 void
346 covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
347 {
348   size_t i, j;
349   const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
350
351   assert (cov->passes == 2);
352   assert (cov->state >= 1);
353
354   if (! cov->pass_two_first_case_seen)
355     {
356       size_t m;
357       assert (cov->state == 1);
358       cov->state = 2;
359
360       if (cov->categoricals)
361         categoricals_done (cov->categoricals);
362
363       cov->dim = cov->n_vars;
364
365       if (cov->categoricals)
366         cov->dim += categoricals_df_total (cov->categoricals);
367
368       cov->n_cm = (cov->dim * (cov->dim - 1)) / 2;
369       cov->cm = xcalloc (cov->n_cm, sizeof *cov->cm);
370
371       /* Grow the moment matrices so that they're large enough to accommodate the
372          categorical elements */
373       for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
374         {
375           cov->moments[i] = resize_matrix (cov->moments[i], cov->dim);
376         }
377
378       /* Populate the moments matrices with the categorical value elements */
379       for (i = cov->n_vars; i < cov->dim; ++i)
380         {
381           for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j) /* FIXME: This is WRONG !!! */
382             {
383               double w = categoricals_get_weight_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
384
385               gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j, w);
386
387               w = categoricals_get_sum_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
388
389               gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j, w);
390             }
391         }
392
393       /* FIXME: This is WRONG!!  It must be fixed to properly handle missing values.  For
394        now it assumes there are none */
395       for (m = 0 ; m < n_MOMENTS; ++m)
396         {
397           for (i = 0 ; i < cov->dim ; ++i)
398             {
399               double x = gsl_matrix_get (cov->moments[m], i, cov->n_vars -1);
400               for (j = cov->n_vars; j < cov->dim; ++j)
401                 {
402                   gsl_matrix_set (cov->moments[m], i, j, x);
403                 }
404             }
405         }
406
407       /* Divide the means by the number of samples */
408       for (i = 0; i < cov->dim; ++i)
409         {
410           for (j = 0; j < cov->dim; ++j)
411             {
412               double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j);
413               *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
414             }
415         }
416     }
417
418   for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
419     {
420       double v1 = get_val (cov, i, c);
421
422       if (is_missing (cov, i, c))
423         continue;
424
425       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
426         {
427           int idx;
428           double ss ;
429           double v2 = get_val (cov, j, c);
430
431           const double s = pow2 (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)) * weight;
432
433           if (is_missing (cov, j, c))
434             continue;
435
436           {
437             double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
438             *x += s;
439           }
440
441           ss =
442             (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
443             *
444             (v2 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
445             * weight
446             ;
447
448           idx = cm_idx (cov, i, j);
449           if (idx >= 0)
450             {
451               cov->cm [idx] += ss;
452             }
453         }
454     }
455
456   cov->pass_two_first_case_seen = true;
457 }
458
459
460 /* Call this function for every case in the data set.
461    After all cases have been passed, call covariance_calculate
462  */
463 void
464 covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
465 {
466   size_t i, j, m;
467   const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
468
469   assert (cov->passes == 1);
470
471   if (!cov->pass_one_first_case_seen)
472     {
473       assert (cov->state == 0);
474       cov->state = 1;
475     }
476
477   for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
478     {
479       const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
480
481       if (is_missing (cov, i, c))
482         continue;
483
484       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
485         {
486           double pwr = 1.0;
487           int idx;
488           const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
489
490           if (is_missing (cov, j, c))
491             continue;
492
493           idx = cm_idx (cov, i, j);
494           if (idx >= 0)
495             {
496               cov->cm [idx] += val1->f * val2->f * weight;
497             }
498
499           for (m = 0 ; m < n_MOMENTS; ++m)
500             {
501               double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
502
503               *x += pwr * weight;
504               pwr *= val1->f;
505             }
506         }
507     }
508
509   cov->pass_one_first_case_seen = true;
510 }
511
512
513 /*
514    Allocate and return a gsl_matrix containing the covariances of the
515    data.
516 */
517 static gsl_matrix *
518 cm_to_gsl (struct covariance *cov)
519 {
520   int i, j;
521   gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->dim, cov->dim);
522
523   /* Copy the non-diagonal elements from cov->cm */
524   for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
525     {
526       for (i = j+1 ; i < cov->dim; ++i)
527         {
528           double x = cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
529           gsl_matrix_set (m, i, j, x);
530           gsl_matrix_set (m, j, i, x);
531         }
532     }
533
534   /* Copy the diagonal elements from cov->moments[2] */
535   for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j)
536     {
537       double sigma = gsl_matrix_get (cov->moments[2], j, j);
538       gsl_matrix_set (m, j, j, sigma);
539     }
540
541   return m;
542 }
543
544
545 static gsl_matrix *
546 covariance_calculate_double_pass (struct covariance *cov)
547 {
548   size_t i, j;
549   for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
550     {
551       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
552         {
553           int idx;
554           double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
555           *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
556
557           idx = cm_idx (cov, i, j);
558           if (idx >= 0)
559             {
560               x = &cov->cm [idx];
561               *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
562             }
563         }
564     }
565
566   return  cm_to_gsl (cov);
567 }
568
569 static gsl_matrix *
570 covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
571 {
572   size_t i, j;
573   size_t m;
574
575   for (m = 0; m < n_MOMENTS; ++m)
576     {
577       /* Divide the moments by the number of samples */
578       if (m > 0)
579         {
580           for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
581             {
582               for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
583                 {
584                   double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
585                   *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
586
587                   if (m == MOMENT_VARIANCE)
588                     *x -= pow2 (gsl_matrix_get (cov->moments[1], i, j));
589                 }
590             }
591         }
592     }
593
594   if (cov->centered)
595     {
596       /* Centre the moments */
597       for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
598         {
599           for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
600             {
601               double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
602
603               *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
604
605               *x -=
606                 gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)
607                 *
608                 gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], j, i);
609             }
610         }
611     }
612
613   return cm_to_gsl (cov);
614 }
615
616
617 /* Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.  The
618    caller owns the returned matrix and must free it when it is no longer
619    needed.
620
621    Call this function only after all data have been accumulated.  */
622 gsl_matrix *
623 covariance_calculate (struct covariance *cov)
624 {
625   if (cov->state <= 0)
626     return NULL;
627
628   switch (cov->passes)
629     {
630     case 1:
631       return covariance_calculate_single_pass (cov);
632       break;
633     case 2:
634       return covariance_calculate_double_pass (cov);
635       break;
636     default:
637       NOT_REACHED ();
638     }
639 }
640
641 /*
642   Covariance computed without dividing by the sample size.
643  */
644 static gsl_matrix *
645 covariance_calculate_double_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
646 {
647   return  cm_to_gsl (cov);
648 }
649
650 static gsl_matrix *
651 covariance_calculate_single_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
652 {
653   size_t i, j;
654
655   if (cov->centered)
656     {
657       for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
658         {
659           for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
660             {
661               double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
662               *x -= pow2 (gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
663                 / gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
664             }
665         }
666
667       for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
668         {
669           for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
670             {
671               double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
672
673               *x -=
674                 gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)
675                 *
676                 gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], j, i)
677                 / gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
678             }
679         }
680     }
681
682   return cm_to_gsl (cov);
683 }
684
685
686 /* Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.  The
687    returned matrix is owned by the structure, and must not be freed.
688
689    Call this function only after all data have been accumulated.  */
690 const gsl_matrix *
691 covariance_calculate_unnormalized (struct covariance *cov)
692 {
693   if (cov->state <= 0)
694     return NULL;
695
696   if (cov->unnormalised != NULL)
697     return cov->unnormalised;
698
699   switch (cov->passes)
700     {
701     case 1:
702       cov->unnormalised =  covariance_calculate_single_pass_unnormalized (cov);
703       break;
704     case 2:
705       cov->unnormalised =  covariance_calculate_double_pass_unnormalized (cov);
706       break;
707     default:
708       NOT_REACHED ();
709     }
710
711   return cov->unnormalised;
712 }
713
714 /* Function to access the categoricals used by COV
715    The return value is owned by the COV
716 */
717 const struct categoricals *
718 covariance_get_categoricals (const struct covariance *cov)
719 {
720   return cov->categoricals;
721 }
722
723
724 /* Destroy the COV object */
725 void
726 covariance_destroy (struct covariance *cov)
727 {
728   size_t i;
729
730   categoricals_destroy (cov->categoricals);
731
732   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
733     gsl_matrix_free (cov->moments[i]);
734
735   gsl_matrix_free (cov->unnormalised);
736   free (cov->moments);
737   free (cov->cm);
738   free (cov);
739 }
740
741 size_t
742 covariance_dim (const struct covariance * cov)
743 {
744   return (cov->dim);
745 }
746
747 \f
748
749 /*
750   Routines to assist debugging.
751   The following are not thoroughly tested and in certain respects
752   unreliable.  They should only be
753   used for aids to development. Not as user accessible code.
754 */
755
756 #include "libpspp/str.h"
757 #include "output/pivot-table.h"
758 #include "data/format.h"
759
760
761 /* Create a table which can be populated with the encodings for
762    the covariance matrix COV */
763 struct pivot_table *
764 covariance_dump_enc_header (const struct covariance *cov)
765 {
766   struct pivot_table *table = pivot_table_create ("Covariance Encoding");
767
768   struct pivot_dimension *factors = pivot_dimension_create (
769     table, PIVOT_AXIS_COLUMN, "Factor");
770   for (size_t i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
771     pivot_category_create_leaf (factors->root,
772                                 pivot_value_new_variable (cov->vars[i]));
773   for (size_t i = 0, n = 0; i < cov->dim - cov->n_vars; n++)
774     {
775       const struct interaction *iact =
776         categoricals_get_interaction_by_subscript (cov->categoricals, i);
777
778       struct string str = DS_EMPTY_INITIALIZER;
779       interaction_to_string (iact, &str);
780       struct pivot_category *group = pivot_category_create_group__ (
781         factors->root,
782         pivot_value_new_user_text_nocopy (ds_steal_cstr (&str)));
783
784       int df = categoricals_df (cov->categoricals, n);
785       for (int j = 0; j < df; j++)
786         pivot_category_create_leaf_rc (group, pivot_value_new_integer (j),
787                                        PIVOT_RC_INTEGER);
788
789       i += df;
790     }
791
792   struct pivot_dimension *matrix = pivot_dimension_create (
793     table, PIVOT_AXIS_ROW, "Matrix", "Matrix");
794   matrix->hide_all_labels = true;
795
796   return table;
797 }
798
799
800 /*
801   Append table T, which should have been returned by covariance_dump_enc_header
802   with an entry corresponding to case C for the covariance matrix COV
803  */
804 void
805 covariance_dump_enc (const struct covariance *cov, const struct ccase *c,
806                      struct pivot_table *table)
807 {
808   int row = pivot_category_create_leaf (
809     table->dimensions[1]->root,
810     pivot_value_new_integer (table->dimensions[1]->n_leaves));
811
812   for (int i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
813     pivot_table_put2 (
814       table, i, row, pivot_value_new_number (get_val (cov, i, c)));
815 }