Change how checking for missing values works.
[pspp] / src / math / covariance.c
index 446ee6621a1e11881c37e5dba04d8d645c1610a8..79fce25cef28362dbe7b404377d436e92727111c 100644 (file)
@@ -25,6 +25,7 @@
 #include "libpspp/assertion.h"
 #include "libpspp/misc.h"
 #include "math/categoricals.h"
+#include "math/interaction.h"
 #include "math/moments.h"
 
 #include "gl/xalloc.h"
@@ -61,7 +62,7 @@ resize_matrix (gsl_matrix *in, size_t new_size)
          gsl_matrix_set (out, i, j, x);
        }
     }
-    
+
   gsl_matrix_free (in);
 
   return out;
@@ -69,6 +70,9 @@ resize_matrix (gsl_matrix *in, size_t new_size)
 
 struct covariance
 {
+  /* True if the covariances are centerered. (ie Real covariances) */
+  bool centered;
+
   /* The variables for which the covariance matrix is to be calculated. */
   size_t n_vars;
   const struct variable *const *vars;
@@ -96,7 +100,7 @@ struct covariance
   double *cm;
   int n_cm;
 
-  /* 1 for single pass algorithm; 
+  /* 1 for single pass algorithm;
      2 for double pass algorithm
   */
   short passes;
@@ -104,14 +108,16 @@ struct covariance
   /*
     0 : No pass has  been made
     1 : First pass has been started
-    2 : Second pass has been 
-    
+    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;
+
+  gsl_matrix *unnormalised;
 };
 
 
@@ -123,7 +129,7 @@ struct covariance
    be identical.  If missing values are involved, then element (i,j)
    is the moment of the i th variable, when paired with the j th variable.
  */
-const gsl_matrix *
+gsl_matrix *
 covariance_moments (const struct covariance *cov, int m)
 {
   return cov->moments[m];
@@ -135,15 +141,17 @@ covariance_moments (const struct covariance *cov, int m)
  */
 struct covariance *
 covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
-                        const struct variable *weight, enum mv_class exclude)
+                        const struct variable *weight, enum mv_class exclude,
+                        bool centered)
 {
   size_t i;
-  struct covariance *cov = xzalloc (sizeof *cov);
+  struct covariance *cov = XZALLOC (struct covariance);
 
+  cov->centered = centered;
   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;
@@ -151,16 +159,16 @@ covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *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 = (n_vars * (n_vars - 1)  ) / 2;
+  cov->n_cm = (n_vars * (n_vars - 1)) / 2;
+
 
-  if (cov->n_cm > 0)
-    cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+  cov->cm = xcalloc (cov->n_cm, sizeof *cov->cm);
   cov->categoricals = NULL;
 
   return cov;
@@ -175,15 +183,17 @@ covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
 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)
+                        const struct variable *wv, enum mv_class exclude,
+                        bool centered)
 {
   size_t i;
   struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
 
+  cov->centered = centered;
   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;
@@ -191,7 +201,7 @@ covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *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);
 
@@ -201,11 +211,12 @@ covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
   cov->cm = NULL;
 
   cov->categoricals = cats;
+  cov->unnormalised = NULL;
 
   return cov;
 }
 
-/* Return an integer, which can be used to index 
+/* Return an integer, which can be used to index
    into COV->cm, to obtain the I, J th element
    of the covariance matrix.  If COV->cm does not
    contain that element, then a negative value
@@ -217,21 +228,21 @@ cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
   int as;
   const int n2j = cov->dim - 2 - j;
   const int nj = cov->dim - 2 ;
-  
+
   assert (i >= 0);
   assert (j < cov->dim);
 
-  if ( i == 0)
+  if (i == 0)
     return -1;
 
   if (j >= cov->dim - 1)
     return -1;
 
-  if ( i <= j) 
+  if (i <= j)
     return -1 ;
 
   as = nj * (nj + 1) ;
-  as -= n2j * (n2j + 1) ; 
+  as -= n2j * (n2j + 1) ;
   as /= 2;
 
   return i - 1 + as;
@@ -239,26 +250,26 @@ cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
 
 
 /*
-  Returns true iff the variable corresponding to the Ith element of the covariance matrix 
+  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);
+    cov->vars[i] :
+    categoricals_get_interaction_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars)->vars[0];
 
   const union value *val = case_data (c, var);
 
-  return var_is_value_missing (var, val, cov->exclude);
+  return (var_is_value_missing (var, val) & cov->exclude) != 0;
 }
 
 
 static double
 get_val (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
 {
-  if ( i < cov->n_vars)
+  if (i < cov->n_vars)
     {
       const struct variable *var = cov->vars[i];
 
@@ -267,7 +278,7 @@ get_val (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
       return val->f;
     }
 
-  return categoricals_get_binary_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars, c);
+  return categoricals_get_effects_code_for_case (cov->categoricals, i - cov->n_vars, c);
 }
 
 #if 0
@@ -290,7 +301,7 @@ 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;
+  const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
 
   assert (cov->passes == 2);
   if (!cov->pass_one_first_case_seen)
@@ -306,14 +317,14 @@ covariance_accumulate_pass1 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
     {
       double v1 = get_val (cov, i, c);
 
-      if ( is_missing (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))
+         if (is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          for (m = 0 ; m <= MOMENT_MEAN; ++m)
@@ -335,7 +346,7 @@ 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;
+  const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
 
   assert (cov->passes == 2);
   assert (cov->state >= 1);
@@ -346,14 +357,16 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
       assert (cov->state == 1);
       cov->state = 2;
 
+      if (cov->categoricals)
+       categoricals_done (cov->categoricals);
+
       cov->dim = cov->n_vars;
-      
+
       if (cov->categoricals)
-       cov->dim += categoricals_total (cov->categoricals) 
-         - categoricals_get_n_variables (cov->categoricals);
+       cov->dim += categoricals_df_total (cov->categoricals);
 
-      cov->n_cm = (cov->dim * (cov->dim - 1)  ) / 2;
-      cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+      cov->n_cm = (cov->dim * (cov->dim - 1)) / 2;
+      cov->cm = xcalloc (cov->n_cm, sizeof *cov->cm);
 
       /* Grow the moment matrices so that they're large enough to accommodate the
         categorical elements */
@@ -362,9 +375,6 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
          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)
        {
@@ -409,7 +419,7 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
     {
       double v1 = get_val (cov, i, c);
 
-      if ( is_missing (cov, i, c))
+      if (is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
@@ -420,7 +430,7 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
 
          const double s = pow2 (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)) * weight;
 
-         if ( is_missing (cov, j, c))
+         if (is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          {
@@ -428,9 +438,9 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
            *x += s;
          }
 
-         ss = 
+         ss =
            (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
-           * 
+           *
            (v2 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
            * weight
            ;
@@ -454,13 +464,13 @@ 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;
+  const double weight = cov->wv ? case_num (c, cov->wv) : 1.0;
 
   assert (cov->passes == 1);
 
-  if ( !cov->pass_one_first_case_seen)
+  if (!cov->pass_one_first_case_seen)
     {
-      assert ( cov->state == 0);
+      assert (cov->state == 0);
       cov->state = 1;
     }
 
@@ -468,7 +478,7 @@ covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
     {
       const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
 
-      if ( is_missing (cov, i, c))
+      if (is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
       for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
@@ -477,7 +487,7 @@ covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
          int idx;
          const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
 
-         if ( is_missing (cov, j, c))
+         if (is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          idx = cm_idx (cov, i, j);
@@ -500,7 +510,7 @@ covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
 }
 
 
-/* 
+/*
    Allocate and return a gsl_matrix containing the covariances of the
    data.
 */
@@ -511,7 +521,7 @@ cm_to_gsl (struct covariance *cov)
   gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->dim, cov->dim);
 
   /* Copy the non-diagonal elements from cov->cm */
-  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
+  for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
     {
       for (i = j+1 ; i < cov->dim; ++i)
        {
@@ -545,7 +555,7 @@ covariance_calculate_double_pass (struct covariance *cov)
          *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
 
          idx = cm_idx (cov, i, j);
-         if ( idx >= 0)
+         if (idx >= 0)
            {
              x = &cov->cm [idx];
              *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
@@ -565,7 +575,7 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
   for (m = 0; m < n_MOMENTS; ++m)
     {
       /* Divide the moments by the number of samples */
-      if ( m > 0)
+      if (m > 0)
        {
          for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
            {
@@ -574,26 +584,29 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
                  double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
                  *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
 
-                 if ( m == MOMENT_VARIANCE)
+                 if (m == MOMENT_VARIANCE)
                    *x -= pow2 (gsl_matrix_get (cov->moments[1], i, j));
                }
            }
        }
     }
 
-  /* Centre the moments */
-  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
+  if (cov->centered)
     {
-      for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
+      /* Centre the moments */
+      for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
        {
-         double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
-         
-         *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, 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); 
+             *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
+
+             *x -=
+               gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)
+               *
+               gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], j, i);
+           }
        }
     }
 
@@ -609,16 +622,16 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
 gsl_matrix *
 covariance_calculate (struct covariance *cov)
 {
-  if ( cov->state <= 0 )
+  if (cov->state <= 0)
     return NULL;
 
   switch (cov->passes)
     {
     case 1:
-      return covariance_calculate_single_pass (cov);  
+      return covariance_calculate_single_pass (cov);
       break;
     case 2:
-      return covariance_calculate_double_pass (cov);  
+      return covariance_calculate_double_pass (cov);
       break;
     default:
       NOT_REACHED ();
@@ -631,22 +644,6 @@ covariance_calculate (struct covariance *cov)
 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);
 }
 
@@ -655,26 +652,30 @@ covariance_calculate_single_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
 {
   size_t i, j;
 
-  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+  if (cov->centered)
     {
-      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
+      for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
        {
-         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; ++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)
+
+      for (j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
        {
-         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);
+         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);
+           }
        }
     }
 
@@ -683,27 +684,31 @@ covariance_calculate_single_pass_unnormalized (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.
+   returned matrix is owned by the structure, and must not be freed.
 
    Call this function only after all data have been accumulated.  */
-gsl_matrix *
+const gsl_matrix *
 covariance_calculate_unnormalized (struct covariance *cov)
 {
-  if ( cov->state <= 0 )
+  if (cov->state <= 0)
     return NULL;
 
+  if (cov->unnormalised != NULL)
+    return cov->unnormalised;
+
   switch (cov->passes)
     {
     case 1:
-      return covariance_calculate_single_pass_unnormalized (cov);  
+      cov->unnormalised =  covariance_calculate_single_pass_unnormalized (cov);
       break;
     case 2:
-      return covariance_calculate_double_pass_unnormalized (cov);  
+      cov->unnormalised =  covariance_calculate_double_pass_unnormalized (cov);
       break;
     default:
       NOT_REACHED ();
     }
+
+  return cov->unnormalised;
 }
 
 /* Function to access the categoricals used by COV
@@ -727,7 +732,84 @@ covariance_destroy (struct covariance *cov)
   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
     gsl_matrix_free (cov->moments[i]);
 
+  gsl_matrix_free (cov->unnormalised);
   free (cov->moments);
   free (cov->cm);
   free (cov);
 }
+
+size_t
+covariance_dim (const struct covariance * cov)
+{
+  return (cov->dim);
+}
+
+\f
+
+/*
+  Routines to assist debugging.
+  The following are not thoroughly tested and in certain respects
+  unreliable.  They should only be
+  used for aids to development. Not as user accessible code.
+*/
+
+#include "libpspp/str.h"
+#include "output/pivot-table.h"
+#include "data/format.h"
+
+
+/* Create a table which can be populated with the encodings for
+   the covariance matrix COV */
+struct pivot_table *
+covariance_dump_enc_header (const struct covariance *cov)
+{
+  struct pivot_table *table = pivot_table_create ("Covariance Encoding");
+
+  struct pivot_dimension *factors = pivot_dimension_create (
+    table, PIVOT_AXIS_COLUMN, "Factor");
+  for (size_t i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+    pivot_category_create_leaf (factors->root,
+                                pivot_value_new_variable (cov->vars[i]));
+  for (size_t i = 0, n = 0; i < cov->dim - cov->n_vars; n++)
+    {
+      const struct interaction *iact =
+       categoricals_get_interaction_by_subscript (cov->categoricals, i);
+
+      struct string str = DS_EMPTY_INITIALIZER;
+      interaction_to_string (iact, &str);
+      struct pivot_category *group = pivot_category_create_group__ (
+        factors->root,
+        pivot_value_new_user_text_nocopy (ds_steal_cstr (&str)));
+
+      int df = categoricals_df (cov->categoricals, n);
+      for (int j = 0; j < df; j++)
+        pivot_category_create_leaf_rc (group, pivot_value_new_integer (j),
+                                       PIVOT_RC_INTEGER);
+
+      i += df;
+    }
+
+  struct pivot_dimension *matrix = pivot_dimension_create (
+    table, PIVOT_AXIS_ROW, "Matrix", "Matrix");
+  matrix->hide_all_labels = true;
+
+  return table;
+}
+
+
+/*
+  Append table T, which should have been returned by covariance_dump_enc_header
+  with an entry corresponding to case C for the covariance matrix COV
+ */
+void
+covariance_dump_enc (const struct covariance *cov, const struct ccase *c,
+                    struct pivot_table *table)
+{
+  int row = pivot_category_create_leaf (
+    table->dimensions[1]->root,
+    pivot_value_new_integer (table->dimensions[1]->n_leaves));
+
+  for (int i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    pivot_table_put2 (
+      table, i, row, pivot_value_new_number (get_val (cov, i, c)));
+}