Merge commit 'origin/covariance'
[pspp-builds.git] / src / math / covariance-matrix.c
diff --git a/src/math/covariance-matrix.c b/src/math/covariance-matrix.c
deleted file mode 100644 (file)
index 32ca9bc..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,775 +0,0 @@
-/* PSPP - a program for statistical analysis.
-   Copyright (C) 2008 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
-   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
-   (at your option) any later version.
-
-   This program is distributed in the hope that it will be useful,
-   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
-   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
-   GNU General Public License for more details.
-
-   You should have received a copy of the GNU General Public License
-   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>. */
-
-/*
-  Create and update the values in the covariance matrix.
-*/
-#include <assert.h>
-#include <config.h>
-#include <data/case.h>
-#include <data/category.h>
-#include <data/variable.h>
-#include <data/value.h>
-#include <libpspp/hash.h>
-#include <libpspp/hash-functions.h>
-#include <math/covariance-matrix.h>
-#include <math/moments.h>
-#include <string.h>
-#include <xalloc.h>
-
-/*
-  Structure used to accumulate the covariance matrix in a single data
-  pass.  Before passing the data, we do not know how many categories
-  there are in each categorical variable. Therefore we do not know the
-  size of the covariance matrix. To get around this problem, we
-  accumulate the elements of the covariance matrix in pointers to
-  COVARIANC_ACCUMULATOR. These values are then used to populate
-  the covariance matrix.
- */
-struct covariance_accumulator
-{
-  const struct variable *v1;
-  const struct variable *v2;
-  const union value *val1;
-  const union value *val2;
-  double dot_product;
-  double sum1;
-  double sum2;
-  double ssize;
-};
-
-
-
-struct covariance_matrix
-{
-  struct design_matrix *cov;
-  struct hsh_table *ca;
-  struct moments1 **m1;
-  struct moments **m;
-  const struct variable **v_variables;
-  size_t n_variables;
-  int n_pass;
-  int missing_handling;
-  enum mv_class missing_value;
-  void (*accumulate) (struct covariance_matrix *, const struct ccase *);
-  void (*update_moments) (struct covariance_matrix *, size_t, double);
-};
-
-static struct hsh_table *covariance_hsh_create (size_t);
-static hsh_hash_func covariance_accumulator_hash;
-static unsigned int hash_numeric_alpha (const struct variable *,
-                                       const struct variable *,
-                                       const union value *, size_t);
-static hsh_compare_func covariance_accumulator_compare;
-static hsh_free_func covariance_accumulator_free;
-static void update_moments1 (struct covariance_matrix *, size_t, double);
-static void update_moments2 (struct covariance_matrix *, size_t, double);
-static struct covariance_accumulator *get_new_covariance_accumulator (const
-                                                                     struct
-                                                                     variable
-                                                                     *,
-                                                                     const
-                                                                     struct
-                                                                     variable
-                                                                     *,
-                                                                     const
-                                                                     union
-                                                                     value *,
-                                                                     const
-                                                                     union
-                                                                     value
-                                                                     *);
-static void covariance_accumulate_listwise (struct covariance_matrix *,
-                                           const struct ccase *);
-static void covariance_accumulate_pairwise (struct covariance_matrix *,
-                                           const struct ccase *);
-
-struct covariance_matrix *
-covariance_matrix_init (size_t n_variables,
-                       const struct variable *v_variables[], int n_pass,
-                       int missing_handling, enum mv_class missing_value)
-{
-  size_t i;
-  struct covariance_matrix *result = NULL;
-
-  result = xmalloc (sizeof (*result));
-  result->cov = NULL;
-  result->ca = covariance_hsh_create (n_variables);
-  result->m = NULL;
-  result->m1 = NULL;
-  result->missing_handling = missing_handling;
-  result->missing_value = missing_value;
-  result->accumulate = (result->missing_handling == LISTWISE) ?
-    covariance_accumulate_listwise : covariance_accumulate_pairwise;
-  if (n_pass == ONE_PASS)
-    {
-      result->update_moments = update_moments1;
-      result->m1 = xnmalloc (n_variables, sizeof (*result->m1));
-      for (i = 0; i < n_variables; i++)
-       {
-         result->m1[i] = moments1_create (MOMENT_MEAN);
-       }
-    }
-  else
-    {
-      result->update_moments = update_moments2;
-      result->m = xnmalloc (n_variables, sizeof (*result->m));
-      for (i = 0; i < n_variables; i++)
-       {
-         result->m[i] = moments_create (MOMENT_MEAN);
-       }
-    }
-  result->v_variables = v_variables;
-  result->n_variables = n_variables;
-  result->n_pass = n_pass;
-
-  return result;
-}
-
-/*
-  The covariances are stored in a DESIGN_MATRIX structure.
- */
-struct design_matrix *
-covariance_matrix_create (size_t n_variables,
-                         const struct variable *v_variables[])
-{
-  return design_matrix_create (n_variables, v_variables,
-                              (size_t) n_variables);
-}
-
-static void
-update_moments1 (struct covariance_matrix *cov, size_t i, double x)
-{
-  assert (cov->m1 != NULL);
-  moments1_add (cov->m1[i], x, 1.0);
-}
-
-static void
-update_moments2 (struct covariance_matrix *cov, size_t i, double x)
-{
-  assert (cov->m != NULL);
-  moments_pass_one (cov->m[i], x, 1.0);
-}
-
-void
-covariance_matrix_destroy (struct covariance_matrix *cov)
-{
-  size_t i;
-
-  assert (cov != NULL);
-  design_matrix_destroy (cov->cov);
-  hsh_destroy (cov->ca);
-  if (cov->n_pass == ONE_PASS)
-    {
-      for (i = 0; i < cov->n_variables; i++)
-       {
-         moments1_destroy (cov->m1[i]);
-       }
-      free (cov->m1);
-    }
-  else
-    {
-      for (i = 0; i < cov->n_variables; i++)
-       {
-         moments_destroy (cov->m[i]);
-       }
-      free (cov->m);
-    }
-}
-
-/*
-  Update the covariance matrix with the new entries, assuming that ROW
-  corresponds to a categorical variable and V2 is numeric.
- */
-static void
-covariance_update_categorical_numeric (struct design_matrix *cov, double mean,
-                                      size_t row,
-                                      const struct variable *v2, double x,
-                                      const union value *val2)
-{
-  size_t col;
-  double tmp;
-
-  assert (var_is_numeric (v2));
-
-  col = design_matrix_var_to_column (cov, v2);
-  assert (val2 != NULL);
-  tmp = gsl_matrix_get (cov->m, row, col);
-  gsl_matrix_set (cov->m, row, col, (val2->f - mean) * x + tmp);
-  gsl_matrix_set (cov->m, col, row, (val2->f - mean) * x + tmp);
-}
-static void
-column_iterate (struct design_matrix *cov, const struct variable *v,
-               double ssize, double x, const union value *val1, size_t row)
-{
-  size_t col;
-  size_t i;
-  double y;
-  double tmp;
-  const union value *tmp_val;
-
-  col = design_matrix_var_to_column (cov, v);
-  for (i = 0; i < cat_get_n_categories (v) - 1; i++)
-    {
-      col += i;
-      y = -1.0 * cat_get_category_count (i, v) / ssize;
-      tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v);
-      if (compare_values_short (tmp_val, val1, v))
-       {
-         y += -1.0;
-       }
-      tmp = gsl_matrix_get (cov->m, row, col);
-      gsl_matrix_set (cov->m, row, col, x * y + tmp);
-      gsl_matrix_set (cov->m, col, row, x * y + tmp);
-    }
-}
-
-/*
-  Call this function in the second data pass. The central moments are
-  MEAN1 and MEAN2. Any categorical variables should already have their
-  values summarized in in its OBS_VALS element.
- */
-void
-covariance_pass_two (struct design_matrix *cov, double mean1, double mean2,
-                    double ssize, const struct variable *v1,
-                    const struct variable *v2, const union value *val1,
-                    const union value *val2)
-{
-  size_t row;
-  size_t col;
-  size_t i;
-  double x;
-  const union value *tmp_val;
-
-  if (var_is_alpha (v1))
-    {
-      row = design_matrix_var_to_column (cov, v1);
-      for (i = 0; i < cat_get_n_categories (v1) - 1; i++)
-       {
-         row += i;
-         x = -1.0 * cat_get_category_count (i, v1) / ssize;
-         tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v1);
-         if (compare_values_short (tmp_val, val1, v1))
-           {
-             x += 1.0;
-           }
-         if (var_is_numeric (v2))
-           {
-             covariance_update_categorical_numeric (cov, mean2, row,
-                                                    v2, x, val2);
-           }
-         else
-           {
-             column_iterate (cov, v1, ssize, x, val1, row);
-             column_iterate (cov, v2, ssize, x, val2, row);
-           }
-       }
-    }
-  else if (var_is_alpha (v2))
-    {
-      /*
-         Reverse the orders of V1, V2, etc. and put ourselves back
-         in the previous IF scope.
-       */
-      covariance_pass_two (cov, mean2, mean1, ssize, v2, v1, val2, val1);
-    }
-  else
-    {
-      /*
-         Both variables are numeric.
-       */
-      row = design_matrix_var_to_column (cov, v1);
-      col = design_matrix_var_to_column (cov, v2);
-      x = (val1->f - mean1) * (val2->f - mean2);
-      x += gsl_matrix_get (cov->m, col, row);
-      gsl_matrix_set (cov->m, row, col, x);
-      gsl_matrix_set (cov->m, col, row, x);
-    }
-}
-
-static unsigned int
-covariance_accumulator_hash (const void *h, const void *aux)
-{
-  struct covariance_accumulator *ca = (struct covariance_accumulator *) h;
-  size_t *n_vars = (size_t *) aux;
-  size_t idx_max;
-  size_t idx_min;
-  const struct variable *v_min;
-  const struct variable *v_max;
-  const union value *val_min;
-  const union value *val_max;
-
-  /*
-     Order everything by the variables' indices. This ensures we get the
-     same key regardless of the order in which the variables are stored
-     and passed around.
-   */
-  v_min =
-    (var_get_dict_index (ca->v1) <
-     var_get_dict_index (ca->v2)) ? ca->v1 : ca->v2;
-  v_max = (ca->v1 == v_min) ? ca->v2 : ca->v1;
-
-  val_min = (v_min == ca->v1) ? ca->val1 : ca->val2;
-  val_max = (ca->val1 == val_min) ? ca->val2 : ca->val1;
-
-  idx_min = var_get_dict_index (v_min);
-  idx_max = var_get_dict_index (v_max);
-
-  if (var_is_numeric (v_max) && var_is_numeric (v_min))
-    {
-      return (*n_vars * idx_max + idx_min);
-    }
-  if (var_is_numeric (v_max) && var_is_alpha (v_min))
-    {
-      return hash_numeric_alpha (v_max, v_min, val_min, *n_vars);
-    }
-  if (var_is_alpha (v_max) && var_is_numeric (v_min))
-    {
-      return (hash_numeric_alpha (v_min, v_max, val_max, *n_vars));
-    }
-  if (var_is_alpha (v_max) && var_is_alpha (v_min))
-    {
-      unsigned int tmp;
-      char *x =
-       xnmalloc (1 + var_get_width (v_max) + var_get_width (v_min),
-                 sizeof (*x));
-      strncpy (x, val_max->s, var_get_width (v_max));
-      strncat (x, val_min->s, var_get_width (v_min));
-      tmp = *n_vars * (*n_vars + 1 + idx_max) + idx_min + hsh_hash_string (x);
-      free (x);
-      return tmp;
-    }
-  return -1u;
-}
-
-/*
-  Make a hash table consisting of struct covariance_accumulators.
-  This allows the accumulation of the elements of a covariance matrix
-  in a single data pass. Call covariance_accumulate () for each case 
-  in the data.
- */
-static struct hsh_table *
-covariance_hsh_create (size_t n_vars)
-{
-  return hsh_create (n_vars * n_vars, covariance_accumulator_compare,
-                    covariance_accumulator_hash, covariance_accumulator_free,
-                    &n_vars);
-}
-
-static void
-covariance_accumulator_free (void *c_, const void *aux UNUSED)
-{
-  struct covariance_accumulator *c = c_;
-  assert (c != NULL);
-  free (c);
-}
-
-/*
-  Hash comparison. Returns 0 for a match, or a non-zero int
-  otherwise. The sign of a non-zero return value *should* indicate the
-  position of C relative to the covariance_accumulator described by
-  the other arguments. But for now, it just returns 1 for any
-  non-match.  This should be changed when someone figures out how to
-  compute a sensible sign for the return value.
- */
-static int
-match_nodes (const struct covariance_accumulator *c,
-            const struct variable *v1, const struct variable *v2,
-            const union value *val1, const union value *val2)
-{
-  if (var_get_dict_index (v1) == var_get_dict_index (c->v1))
-    if (var_get_dict_index (v2) == var_get_dict_index (c->v2))
-      {
-       if (var_is_numeric (v1) && var_is_numeric (v2))
-         {
-           return 0;
-         }
-       if (var_is_numeric (v1) && var_is_alpha (v2))
-         {
-           if (compare_values_short (val2, c->val2, v2))
-             {
-               return 0;
-             }
-         }
-       if (var_is_alpha (v1) && var_is_numeric (v2))
-         {
-           if (compare_values_short (val1, c->val1, v1))
-             {
-               return 0;
-             }
-         }
-       if (var_is_alpha (v1) && var_is_alpha (v2))
-         {
-           if (compare_values_short (val1, c->val1, v1))
-             {
-               if (compare_values_short (val2, c->val2, v2))
-                 {
-                   return 0;
-                 }
-             }
-         }
-      }
-  return 1;
-}
-
-/*
-  This function is meant to be used as a comparison function for
-  a struct hsh_table in src/libpspp/hash.c.
-*/
-static int
-covariance_accumulator_compare (const void *a1_, const void *a2_,
-                               const void *aux UNUSED)
-{
-  const struct covariance_accumulator *a1 = a1_;
-  const struct covariance_accumulator *a2 = a2_;
-
-  if (a1 == NULL && a2 == NULL)
-    return 0;
-
-  if (a1 == NULL || a2 == NULL)
-    return 1;
-
-  return match_nodes (a1, a2->v1, a2->v2, a2->val1, a2->val2);
-}
-
-static unsigned int
-hash_numeric_alpha (const struct variable *v1, const struct variable *v2,
-                   const union value *val, size_t n_vars)
-{
-  unsigned int result = -1u;
-  if (var_is_numeric (v1) && var_is_alpha (v2))
-    {
-      result = n_vars * ((n_vars + 1) + var_get_dict_index (v1))
-       + var_get_dict_index (v2) + hsh_hash_string (val->s);
-    }
-  else if (var_is_alpha (v1) && var_is_numeric (v2))
-    {
-      result = hash_numeric_alpha (v2, v1, val, n_vars);
-    }
-  return result;
-}
-
-
-static double
-update_product (const struct variable *v1, const struct variable *v2,
-               const union value *val1, const union value *val2)
-{
-  assert (v1 != NULL);
-  assert (v2 != NULL);
-  assert (val1 != NULL);
-  assert (val2 != NULL);
-  if (var_is_alpha (v1) && var_is_alpha (v2))
-    {
-      return 1.0;
-    }
-  if (var_is_numeric (v1) && var_is_numeric (v2))
-    {
-      return (val1->f * val2->f);
-    }
-  if (var_is_numeric (v1) && var_is_alpha (v2))
-    {
-      return (val1->f);
-    }
-  if (var_is_numeric (v2) && var_is_alpha (v1))
-    {
-      update_product (v2, v1, val2, val1);
-    }
-  return 0.0;
-}
-static double
-update_sum (const struct variable *var, const union value *val)
-{
-  assert (var != NULL);
-  assert (val != NULL);
-  if (var_is_alpha (var))
-    {
-      return 1.0;
-    }
-  return val->f;
-}
-static struct covariance_accumulator *
-get_new_covariance_accumulator (const struct variable *v1,
-                               const struct variable *v2,
-                               const union value *val1,
-                               const union value *val2)
-{
-  if ((v1 != NULL) && (v2 != NULL) && (val1 != NULL) && (val2 != NULL))
-    {
-      struct covariance_accumulator *ca;
-      ca = xmalloc (sizeof (*ca));
-      ca->v1 = v1;
-      ca->v2 = v2;
-      ca->val1 = val1;
-      ca->val2 = val2;
-      return ca;
-    }
-  return NULL;
-}
-
-static const struct variable **
-get_covariance_variables (const struct covariance_matrix *cov)
-{
-  return cov->v_variables;
-}
-
-static void
-update_hash_entry (struct hsh_table *c,
-                  const struct variable *v1,
-                  const struct variable *v2,
-                  const union value *val1, const union value *val2)
-{
-  struct covariance_accumulator *ca;
-  struct covariance_accumulator *new_entry;
-
-
-  ca = get_new_covariance_accumulator (v1, v2, val1, val2);
-  ca->dot_product = update_product (ca->v1, ca->v2, ca->val1, ca->val2);
-  ca->sum1 = update_sum (ca->v1, ca->val1);
-  ca->sum2 = update_sum (ca->v2, ca->val2);
-  ca->ssize = 1.0;
-  new_entry = hsh_insert (c, ca);
-  if (new_entry != NULL)
-    {
-      new_entry->dot_product += ca->dot_product;
-      new_entry->ssize += 1.0;
-      new_entry->sum1 += ca->sum1;
-      new_entry->sum2 += ca->sum2;
-      /*
-         If DOT_PRODUCT is null, CA was not already in the hash
-         hable, so we don't free it because it was just inserted.
-         If DOT_PRODUCT was not null, CA is already in the hash table.
-         Unnecessary now, it must be freed here.
-       */
-      free (ca);
-    }
-}
-
-/*
-  Compute the covariance matrix in a single data-pass. Cases with
-  missing values are dropped pairwise, in other words, only if one of
-  the two values necessary to accumulate the inner product is missing.
-
-  Do not call this function directly. Call it through the struct
-  covariance_matrix ACCUMULATE member function, for example,
-  cov->accumulate (cov, ccase).
- */
-static void
-covariance_accumulate_pairwise (struct covariance_matrix *cov,
-                               const struct ccase *ccase)
-{
-  size_t i;
-  size_t j;
-  const union value *val1;
-  const union value *val2;
-  const struct variable **v_variables;
-
-  assert (cov != NULL);
-  assert (ccase != NULL);
-
-  v_variables = get_covariance_variables (cov);
-  assert (v_variables != NULL);
-
-  for (i = 0; i < cov->n_variables; ++i)
-    {
-      val1 = case_data (ccase, v_variables[i]);
-      if (!var_is_value_missing (v_variables[i], val1, cov->missing_value))
-       {
-         cat_value_update (v_variables[i], val1);
-         if (var_is_alpha (v_variables[i]))
-           cov->update_moments (cov, i, val1->f);
-
-         for (j = i; j < cov->n_variables; j++)
-           {
-             val2 = case_data (ccase, v_variables[j]);
-             if (!var_is_value_missing
-                 (v_variables[j], val2, cov->missing_value))
-               {
-                 update_hash_entry (cov->ca, v_variables[i], v_variables[j],
-                                    val1, val2);
-                 if (j != i)
-                   update_hash_entry (cov->ca, v_variables[j],
-                                      v_variables[i], val2, val1);
-               }
-           }
-       }
-    }
-}
-
-/*
-  Compute the covariance matrix in a single data-pass. Cases with
-  missing values are dropped listwise. In other words, if one of the
-  values for any variable in a case is missing, the entire case is
-  skipped. 
-
-  The caller must use a casefilter to remove the cases with missing
-  values before calling covariance_accumulate_listwise. This function
-  assumes that CCASE has already passed through this filter, and
-  contains no missing values.
-
-  Do not call this function directly. Call it through the struct
-  covariance_matrix ACCUMULATE member function, for example,
-  cov->accumulate (cov, ccase).
- */
-static void
-covariance_accumulate_listwise (struct covariance_matrix *cov,
-                               const struct ccase *ccase)
-{
-  size_t i;
-  size_t j;
-  const union value *val1;
-  const union value *val2;
-  const struct variable **v_variables;
-
-  assert (cov != NULL);
-  assert (ccase != NULL);
-
-  v_variables = get_covariance_variables (cov);
-  assert (v_variables != NULL);
-
-  for (i = 0; i < cov->n_variables; ++i)
-    {
-      val1 = case_data (ccase, v_variables[i]);
-      cat_value_update (v_variables[i], val1);
-      if (var_is_alpha (v_variables[i]))
-       cov->update_moments (cov, i, val1->f);
-
-      for (j = i; j < cov->n_variables; j++)
-       {
-         val2 = case_data (ccase, v_variables[j]);
-         update_hash_entry (cov->ca, v_variables[i], v_variables[j],
-                            val1, val2);
-         if (j != i)
-           update_hash_entry (cov->ca, v_variables[j], v_variables[i],
-                              val2, val1);
-       }
-    }
-}
-
-/*
-  Call this function during the data pass. Each case will be added to
-  a hash containing all values of the covariance matrix. After the
-  data have been passed, call covariance_matrix_compute to put the
-  values in the struct covariance_matrix.
- */
-void
-covariance_matrix_accumulate (struct covariance_matrix *cov,
-                             const struct ccase *ccase)
-{
-  cov->accumulate (cov, ccase);
-}
-
-static void
-covariance_matrix_insert (struct design_matrix *cov,
-                         const struct variable *v1,
-                         const struct variable *v2, const union value *val1,
-                         const union value *val2, double product)
-{
-  size_t row;
-  size_t col;
-  size_t i;
-  const union value *tmp_val;
-
-  assert (cov != NULL);
-
-  row = design_matrix_var_to_column (cov, v1);
-  if (var_is_alpha (v1))
-    {
-      i = 0;
-      tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v1);
-      while (!compare_values_short (tmp_val, val1, v1))
-       {
-         i++;
-         tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v1);
-       }
-      row += i;
-      if (var_is_numeric (v2))
-       {
-         col = design_matrix_var_to_column (cov, v2);
-       }
-      else
-       {
-         col = design_matrix_var_to_column (cov, v2);
-         i = 0;
-         tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v1);
-         while (!compare_values_short (tmp_val, val1, v1))
-           {
-             i++;
-             tmp_val = cat_subscript_to_value (i, v1);
-           }
-         col += i;
-       }
-    }
-  else
-    {
-      if (var_is_numeric (v2))
-       {
-         col = design_matrix_var_to_column (cov, v2);
-       }
-      else
-       {
-         covariance_matrix_insert (cov, v2, v1, val2, val1, product);
-       }
-    }
-  gsl_matrix_set (cov->m, row, col, product);
-}
-
-static struct design_matrix *
-covariance_accumulator_to_matrix (struct covariance_matrix *cov)
-{
-  double tmp;
-  struct covariance_accumulator *entry;
-  struct design_matrix *result = NULL;
-  struct hsh_iterator iter;
-
-  result = covariance_matrix_create (cov->n_variables, cov->v_variables);
-
-  entry = hsh_first (cov->ca, &iter);
-
-  while (entry != NULL)
-    {
-      /*
-         We compute the centered, un-normalized covariance matrix.
-       */
-      tmp = entry->dot_product - entry->sum1 * entry->sum2 / entry->ssize;
-      covariance_matrix_insert (result, entry->v1, entry->v2, entry->val1,
-                               entry->val2, tmp);
-      entry = hsh_next (cov->ca, &iter);
-    }
-  return result;
-}
-
-
-/*
-  Call this function after passing the data.
- */
-void
-covariance_matrix_compute (struct covariance_matrix *cov)
-{
-  if (cov->n_pass == ONE_PASS)
-    {
-      cov->cov = covariance_accumulator_to_matrix (cov);
-    }
-}
-
-struct design_matrix *
-covariance_to_design (const struct covariance_matrix *c)
-{
-  if (c != NULL)
-    {
-      return c->cov;
-    }
-  return NULL;
-}