moved src/math/linreg.[ch] to src/math
[pspp-builds.git] / src / math / linreg.c
diff --git a/src/math/linreg.c b/src/math/linreg.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..6cd0249
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,591 @@
+/* PSPP - a program for statistical analysis.
+   Copyright (C) 2005 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/>. */
+
+#include <config.h>
+#include <gsl/gsl_blas.h>
+#include <gsl/gsl_cblas.h>
+#include <gsl/gsl_errno.h>
+#include <gsl/gsl_fit.h>
+#include <gsl/gsl_multifit.h>
+#include <linreg/sweep.h>
+#include <math/coefficient.h>
+#include <math/linreg.h>
+#include <math/coefficient.h>
+#include <src/data/variable.h>
+#include <src/data/value.h>
+#include <gl/xalloc.h>
+
+/*
+  Find the least-squares estimate of b for the linear model:
+
+  Y = Xb + Z
+
+  where Y is an n-by-1 column vector, X is an n-by-p matrix of
+  independent variables, b is a p-by-1 vector of regression coefficients,
+  and Z is an n-by-1 normally-distributed random vector with independent
+  identically distributed components with mean 0.
+
+  This estimate is found via the sweep operator or singular-value
+  decomposition with gsl.
+
+
+  References:
+
+  1. Matrix Computations, third edition. GH Golub and CF Van Loan.
+  The Johns Hopkins University Press. 1996. ISBN 0-8018-5414-8.
+
+  2. Numerical Analysis for Statisticians. K Lange. Springer. 1999.
+  ISBN 0-387-94979-8.
+
+  3. Numerical Linear Algebra for Applications in Statistics. JE Gentle.
+  Springer. 1998. ISBN 0-387-98542-5.
+*/
+
+
+/*
+  Get the mean and standard deviation of a vector
+  of doubles via a form of the Kalman filter as
+  described on page 32 of [3].
+ */
+static int
+linreg_mean_std (gsl_vector_const_view v, double *mp, double *sp, double *ssp)
+{
+  size_t i;
+  double j = 0.0;
+  double d;
+  double tmp;
+  double mean;
+  double variance;
+
+  mean = gsl_vector_get (&v.vector, 0);
+  variance = 0;
+  for (i = 1; i < v.vector.size; i++)
+    {
+      j = (double) i + 1.0;
+      tmp = gsl_vector_get (&v.vector, i);
+      d = (tmp - mean) / j;
+      mean += d;
+      variance += j * (j - 1.0) * d * d;
+    }
+  *mp = mean;
+  *sp = sqrt (variance / (j - 1.0));
+  *ssp = variance;
+
+  return GSL_SUCCESS;
+}
+
+/*
+  Set V to contain an array of pointers to the variables
+  used in the model. V must be at least C->N_COEFFS in length.
+  The return value is the number of distinct variables found.
+ */
+int
+pspp_linreg_get_vars (const void *c_, const struct variable **v)
+{
+  const pspp_linreg_cache *c = c_;
+  const struct variable *tmp;
+  int i;
+  int j;
+  int result = 0;
+
+  /*
+     Make sure the caller doesn't try to sneak a variable
+     into V that is not in the model.
+   */
+  for (i = 0; i < c->n_coeffs; i++)
+    {
+      v[i] = NULL;
+    }
+  for (j = 0; j < c->n_coeffs; j++)
+    {
+      tmp = pspp_coeff_get_var (c->coeff[j], 0);
+      assert (tmp != NULL);
+      /* Repeated variables are likely to bunch together, at the end
+         of the array. */
+      i = result - 1;
+      while (i >= 0 && v[i] != tmp)
+       {
+         i--;
+       }
+      if (i < 0 && result < c->n_coeffs)
+       {
+         v[result] = tmp;
+         result++;
+       }
+    }
+  return result;
+}
+
+/*
+  Allocate a pspp_linreg_cache and return a pointer
+  to it. n is the number of cases, p is the number of
+  independent variables.
+ */
+pspp_linreg_cache *
+pspp_linreg_cache_alloc (size_t n, size_t p)
+{
+  pspp_linreg_cache *c;
+
+  c = (pspp_linreg_cache *) malloc (sizeof (pspp_linreg_cache));
+  c->depvar = NULL;
+  c->indep_means = gsl_vector_alloc (p);
+  c->indep_std = gsl_vector_alloc (p);
+  c->ssx = gsl_vector_alloc (p);       /* Sums of squares for the
+                                          independent variables.
+                                        */
+  c->ss_indeps = gsl_vector_alloc (p); /* Sums of squares for the
+                                          model parameters.
+                                        */
+  c->cov = gsl_matrix_alloc (p + 1, p + 1);    /* Covariance matrix. */
+  c->n_obs = n;
+  c->n_indeps = p;
+  /*
+     Default settings.
+   */
+  c->method = PSPP_LINREG_SWEEP;
+  c->predict = pspp_linreg_predict;
+  c->residual = pspp_linreg_residual;  /* The procedure to compute my
+                                          residuals. */
+  c->get_vars = pspp_linreg_get_vars;  /* The procedure that returns
+                                          pointers to model
+                                          variables. */
+  c->resid = NULL;             /* The variable storing my residuals. */
+  c->pred = NULL;              /* The variable storing my predicted values. */
+
+  return c;
+}
+
+bool
+pspp_linreg_cache_free (void *m)
+{
+  int i;
+
+  pspp_linreg_cache *c = m;
+  if (c != NULL)
+    {
+      gsl_vector_free (c->indep_means);
+      gsl_vector_free (c->indep_std);
+      gsl_vector_free (c->ss_indeps);
+      gsl_matrix_free (c->cov);
+      gsl_vector_free (c->ssx);
+      for (i = 0; i < c->n_coeffs; i++)
+       {
+         pspp_coeff_free (c->coeff[i]);
+       }
+      free (c->coeff);
+      free (c);
+    }
+  return true;
+}
+
+/*
+  Fit the linear model via least squares. All pointers passed to pspp_linreg
+  are assumed to be allocated to the correct size and initialized to the
+  values as indicated by opts.
+ */
+int
+pspp_linreg (const gsl_vector * Y, const gsl_matrix * X,
+            const pspp_linreg_opts * opts, pspp_linreg_cache * cache)
+{
+  int rc;
+  gsl_matrix *design = NULL;
+  gsl_matrix_view xtx;
+  gsl_matrix_view xm;
+  gsl_matrix_view xmxtx;
+  gsl_vector_view xty;
+  gsl_vector_view xi;
+  gsl_vector_view xj;
+  gsl_vector *param_estimates;
+
+  size_t i;
+  size_t j;
+  double tmp;
+  double m;
+  double s;
+  double ss;
+
+  if (cache == NULL)
+    {
+      return GSL_EFAULT;
+    }
+  if (opts->get_depvar_mean_std)
+    {
+      linreg_mean_std (gsl_vector_const_subvector (Y, 0, Y->size),
+                      &m, &s, &ss);
+      cache->depvar_mean = m;
+      cache->depvar_std = s;
+      cache->sst = ss;
+    }
+  for (i = 0; i < cache->n_indeps; i++)
+    {
+      if (opts->get_indep_mean_std[i])
+       {
+         linreg_mean_std (gsl_matrix_const_column (X, i), &m, &s, &ss);
+         gsl_vector_set (cache->indep_means, i, m);
+         gsl_vector_set (cache->indep_std, i, s);
+         gsl_vector_set (cache->ssx, i, ss);
+       }
+    }
+  cache->dft = cache->n_obs - 1;
+  cache->dfm = cache->n_indeps;
+  cache->dfe = cache->dft - cache->dfm;
+  cache->n_coeffs = X->size2;
+  cache->intercept = 0.0;
+
+  if (cache->method == PSPP_LINREG_SWEEP)
+    {
+      gsl_matrix *sw;
+      /*
+         Subtract the means to improve the condition of the design
+         matrix. This requires copying X and Y. We do not divide by the
+         standard deviations of the independent variables here since doing
+         so would cause a miscalculation of the residual sums of
+         squares. Dividing by the standard deviation is done GSL's linear
+         regression functions, so if the design matrix has a poor
+         condition, use QR decomposition.
+
+         The design matrix here does not include a column for the intercept
+         (i.e., a column of 1's). If using PSPP_LINREG_QR, we need that column,
+         so design is allocated here when sweeping, or below if using QR.
+       */
+      design = gsl_matrix_alloc (X->size1, X->size2);
+      for (i = 0; i < X->size2; i++)
+       {
+         m = gsl_vector_get (cache->indep_means, i);
+         for (j = 0; j < X->size1; j++)
+           {
+             tmp = (gsl_matrix_get (X, j, i) - m);
+             gsl_matrix_set (design, j, i, tmp);
+           }
+       }
+      sw = gsl_matrix_calloc (cache->n_indeps + 1, cache->n_indeps + 1);
+      xtx = gsl_matrix_submatrix (sw, 0, 0, cache->n_indeps, cache->n_indeps);
+
+      for (i = 0; i < xtx.matrix.size1; i++)
+       {
+         tmp = gsl_vector_get (cache->ssx, i);
+         gsl_matrix_set (&(xtx.matrix), i, i, tmp);
+         xi = gsl_matrix_column (design, i);
+         for (j = (i + 1); j < xtx.matrix.size2; j++)
+           {
+             xj = gsl_matrix_column (design, j);
+             gsl_blas_ddot (&(xi.vector), &(xj.vector), &tmp);
+             gsl_matrix_set (&(xtx.matrix), i, j, tmp);
+           }
+       }
+
+      gsl_matrix_set (sw, cache->n_indeps, cache->n_indeps, cache->sst);
+      xty = gsl_matrix_column (sw, cache->n_indeps);
+      /*
+         This loop starts at 1, with i=0 outside the loop, so we can get
+         the model sum of squares due to the first independent variable.
+       */
+      xi = gsl_matrix_column (design, 0);
+      gsl_blas_ddot (&(xi.vector), Y, &tmp);
+      gsl_vector_set (&(xty.vector), 0, tmp);
+      tmp *= tmp / gsl_vector_get (cache->ssx, 0);
+      gsl_vector_set (cache->ss_indeps, 0, tmp);
+      for (i = 1; i < cache->n_indeps; i++)
+       {
+         xi = gsl_matrix_column (design, i);
+         gsl_blas_ddot (&(xi.vector), Y, &tmp);
+         gsl_vector_set (&(xty.vector), i, tmp);
+       }
+
+      /*
+         Sweep on the matrix sw, which contains XtX, XtY and YtY.
+       */
+      reg_sweep (sw);
+      cache->sse = gsl_matrix_get (sw, cache->n_indeps, cache->n_indeps);
+      cache->mse = cache->sse / cache->dfe;
+      /*
+         Get the intercept.
+       */
+      m = cache->depvar_mean;
+      for (i = 0; i < cache->n_indeps; i++)
+       {
+         tmp = gsl_matrix_get (sw, i, cache->n_indeps);
+         cache->coeff[i]->estimate = tmp;
+         m -= tmp * gsl_vector_get (cache->indep_means, i);
+       }
+      /*
+         Get the covariance matrix of the parameter estimates.
+         Only the upper triangle is necessary.
+       */
+
+      /*
+         The loops below do not compute the entries related
+         to the estimated intercept.
+       */
+      for (i = 0; i < cache->n_indeps; i++)
+       for (j = i; j < cache->n_indeps; j++)
+         {
+           tmp = -1.0 * cache->mse * gsl_matrix_get (sw, i, j);
+           gsl_matrix_set (cache->cov, i + 1, j + 1, tmp);
+         }
+      /*
+         Get the covariances related to the intercept.
+       */
+      xtx = gsl_matrix_submatrix (sw, 0, 0, cache->n_indeps, cache->n_indeps);
+      xmxtx = gsl_matrix_submatrix (cache->cov, 0, 1, 1, cache->n_indeps);
+      xm = gsl_matrix_view_vector (cache->indep_means, 1, cache->n_indeps);
+      rc = gsl_blas_dsymm (CblasRight, CblasUpper, cache->mse,
+                          &xtx.matrix, &xm.matrix, 0.0, &xmxtx.matrix);
+      if (rc == GSL_SUCCESS)
+       {
+         tmp = cache->mse / cache->n_obs;
+         for (i = 1; i < 1 + cache->n_indeps; i++)
+           {
+             tmp -= gsl_matrix_get (cache->cov, 0, i)
+               * gsl_vector_get (cache->indep_means, i - 1);
+           }
+         gsl_matrix_set (cache->cov, 0, 0, tmp);
+
+         cache->intercept = m;
+       }
+      else
+       {
+         fprintf (stderr, "%s:%d:gsl_blas_dsymm: %s\n",
+                  __FILE__, __LINE__, gsl_strerror (rc));
+         exit (rc);
+       }
+      gsl_matrix_free (sw);
+    }
+  else if (cache->method == PSPP_LINREG_CONDITIONAL_INVERSE)
+    {
+      /*
+       Use the SVD of X^T X to find a conditional inverse of X^TX. If
+       the SVD is X^T X = U D V^T, then set the conditional inverse
+       to (X^T X)^c = V D^- U^T. D^- is defined as follows: If entry
+       (i, i) has value sigma_i, then entry (i, i) of D^- is 1 /
+       sigma_i if sigma_i > 0, and 0 otherwise. Then solve the normal
+       equations by setting the estimated parameter vector to 
+       (X^TX)^c X^T Y.
+       */
+    }
+  else
+    {
+      gsl_multifit_linear_workspace *wk;
+      /*
+         Use QR decomposition via GSL.
+       */
+
+      param_estimates = gsl_vector_alloc (1 + X->size2);
+      design = gsl_matrix_alloc (X->size1, 1 + X->size2);
+
+      for (j = 0; j < X->size1; j++)
+       {
+         gsl_matrix_set (design, j, 0, 1.0);
+         for (i = 0; i < X->size2; i++)
+           {
+             tmp = gsl_matrix_get (X, j, i);
+             gsl_matrix_set (design, j, i + 1, tmp);
+           }
+       }
+
+      wk = gsl_multifit_linear_alloc (design->size1, design->size2);
+      rc = gsl_multifit_linear (design, Y, param_estimates,
+                               cache->cov, &(cache->sse), wk);
+      for (i = 0; i < cache->n_coeffs; i++)
+       {
+         cache->coeff[i]->estimate = gsl_vector_get (param_estimates, i + 1);
+       }
+      cache->intercept = gsl_vector_get (param_estimates, 0);
+      if (rc == GSL_SUCCESS)
+       {
+         gsl_multifit_linear_free (wk);
+         gsl_vector_free (param_estimates);
+       }
+      else
+       {
+         fprintf (stderr, "%s:%d: gsl_multifit_linear returned %d\n",
+                  __FILE__, __LINE__, rc);
+       }
+    }
+
+
+  cache->ssm = cache->sst - cache->sse;
+  /*
+     Get the remaining sums of squares for the independent
+     variables.
+   */
+  m = 0;
+  for (i = 1; i < cache->n_indeps; i++)
+    {
+      j = i - 1;
+      m += gsl_vector_get (cache->ss_indeps, j);
+      tmp = cache->ssm - m;
+      gsl_vector_set (cache->ss_indeps, i, tmp);
+    }
+
+  gsl_matrix_free (design);
+  return GSL_SUCCESS;
+}
+
+/*
+  Is the coefficient COEF contained in the list of coefficients
+  COEF_LIST?
+ */
+static int
+has_coefficient (const struct pspp_coeff **coef_list, const struct pspp_coeff *coef,
+                size_t n)
+{
+  size_t i = 0;
+
+  while (i < n)
+    {
+      if (coef_list[i] == coef)
+       {
+         return 1;
+       }
+      i++;
+    }
+  return 0;
+}
+/*
+  Predict the value of the dependent variable with the
+  new set of predictors. PREDICTORS must point to a list
+  of variables, each of whose values are stored in VALS,
+  in the same order.
+ */
+double
+pspp_linreg_predict (const struct variable **predictors,
+                    const union value **vals, const void *c_, int n_vals)
+{
+  const pspp_linreg_cache *c = c_;
+  int j;
+  size_t next_coef = 0;
+  const struct pspp_coeff **coef_list;
+  const struct pspp_coeff *coe;
+  double result;
+  double tmp;
+
+  if (predictors == NULL || vals == NULL || c == NULL)
+    {
+      return GSL_NAN;
+    }
+  if (c->coeff == NULL)
+    {
+      /* The stupid model: just guess the mean. */
+      return c->depvar_mean;
+    }
+  coef_list = xnmalloc (c->n_coeffs, sizeof (*coef_list));
+  result = c->intercept;
+
+  /*
+     The loops guard against the possibility that the caller passed us
+     inadequate information, such as too few or too many values, or
+     a redundant list of variable names.
+   */
+  for (j = 0; j < n_vals; j++)
+    {
+      coe = pspp_linreg_get_coeff (c, predictors[j], vals[j]);
+      if (!has_coefficient (coef_list, coe, next_coef))
+       {
+         tmp = pspp_coeff_get_est (coe);
+         if (var_is_numeric (predictors[j]))
+           {
+             tmp *= vals[j]->f;
+           }
+         result += tmp;
+         coef_list[next_coef++] = coe;
+       }
+    }
+  free (coef_list);
+
+  return result;
+}
+
+double
+pspp_linreg_residual (const struct variable **predictors,
+                     const union value **vals,
+                     const union value *obs, const void *c, int n_vals)
+{
+  double pred;
+  double result;
+
+  if (predictors == NULL || vals == NULL || c == NULL || obs == NULL)
+    {
+      return GSL_NAN;
+    }
+  pred = pspp_linreg_predict (predictors, vals, c, n_vals);
+
+  result = gsl_isnan (pred) ? GSL_NAN : (obs->f - pred);
+  return result;
+}
+
+/*
+  Which coefficient is associated with V? The VAL argument is relevant
+  only to categorical variables.
+ */
+const struct pspp_coeff *
+pspp_linreg_get_coeff (const pspp_linreg_cache * c,
+                      const struct variable *v, const union value *val)
+{
+  int i;
+  struct pspp_coeff *result = NULL;
+  const struct variable *tmp = NULL;
+
+  if (c == NULL)
+    {
+      return NULL;
+    }
+  if (c->coeff == NULL || c->n_indeps == 0 || v == NULL)
+    {
+      return NULL;
+    }
+  i = 0;
+  result = c->coeff[0];
+  tmp = pspp_coeff_get_var (result, 0);
+  while (tmp != v && i < c->n_coeffs)
+    {
+      result = c->coeff[i];
+      tmp = pspp_coeff_get_var (result, 0);
+      i++;
+    }
+  if (tmp != v)
+    {
+      /*
+       Not found.
+       */
+      return NULL;
+    }
+  if (var_is_numeric (v))
+    {
+      return result;
+    }
+  else if (val != NULL)
+    {
+      /*
+         If v is categorical, we need to ensure the coefficient
+         matches the VAL.
+       */
+      while (tmp != v && i < c->n_coeffs
+            && compare_values (pspp_coeff_get_value (result, tmp),
+                               val, var_get_width (v)))
+       {                       /* FIX THIS */
+         i++;
+         result = c->coeff[i];
+         tmp = pspp_coeff_get_var (result, 0);
+       }
+      if (i == c->n_coeffs && tmp != v)
+       {
+         return NULL;
+       }
+      return result;
+    }
+  return NULL;
+}