src/language/stats/correlations.c

   1 /* PSPP - a program for statistical analysis.
   2    Copyright (C) 2009 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 <libpspp/assertion.h>
  20 #include <math/covariance.h>
  21 #include <math/correlation.h>
  22 #include <math/design-matrix.h>
  23 #include <gsl/gsl_matrix.h>
  24 #include <data/casegrouper.h>
  25 #include <data/casereader.h>
  26 #include <data/dictionary.h>
  27 #include <data/procedure.h>
  28 #include <data/variable.h>
  29 #include <language/command.h>
  30 #include <language/dictionary/split-file.h>
  31 #include <language/lexer/lexer.h>
  32 #include <language/lexer/variable-parser.h>
  33 #include <output/tab.h>
  34 #include <libpspp/message.h>
  35 #include <data/format.h>
  36 #include <math/moments.h>
  37
  38 #include <math.h>
  39 #include "xalloc.h"
  40 #include "minmax.h"
  41 #include <libpspp/misc.h>
  42 #include <gsl/gsl_cdf.h>
  43
  44 #include "gettext.h"
  45 #define _(msgid) gettext (msgid)
  46 #define N_(msgid) msgid
  47
  48
  49 struct corr
  50 {
  51   size_t n_vars_total;
  52   size_t n_vars1;
  53
  54   const struct variable **vars;
  55 };
  56
  57
  58 /* Handling of missing values. */
  59 enum corr_missing_type
  60   {
  61     CORR_PAIRWISE,       /* Handle missing values on a per-variable-pair basis. */
  62     CORR_LISTWISE        /* Discard entire case if any variable is missing. */
  63   };
  64
  65 enum stats_opts
  66   {
  67     STATS_DESCRIPTIVES = 0x01,
  68     STATS_XPROD = 0x02,
  69     STATS_ALL = STATS_XPROD | STATS_DESCRIPTIVES
  70   };
  71
  72 struct corr_opts
  73 {
  74   enum corr_missing_type missing_type;
  75   enum mv_class exclude;      /* Classes of missing values to exclude. */
  76
  77   bool sig;   /* Flag significant values or not */
  78   int tails;  /* Report significance with how many tails ? */
  79   enum stats_opts statistics;
  80
  81   const struct variable *wv;  /* The weight variable (if any) */
  82 };
  83
  84
  85 static void
  86 output_descriptives (const struct corr *corr, const gsl_matrix *means,
  87                      const gsl_matrix *vars, const gsl_matrix *ns)
  88 {
  89   const int nr = corr->n_vars_total + 1;
  90   const int nc = 4;
  91   int c, r;
  92
  93   const int heading_columns = 1;
  94   const int heading_rows = 1;
  95
  96   struct tab_table *t = tab_create (nc, nr);
  97   tab_title (t, _("Descriptive Statistics"));
  98
  99   tab_headers (t, heading_columns, 0, heading_rows, 0);
 100
 101   /* Outline the box */
 102   tab_box (t,
 103            TAL_2, TAL_2,
 104            -1, -1,
 105            0, 0,
 106            nc - 1, nr - 1);
 107
 108   /* Vertical lines */
 109   tab_box (t,
 110            -1, -1,
 111            -1, TAL_1,
 112            heading_columns, 0,
 113            nc - 1, nr - 1);
 114
 115   tab_vline (t, TAL_2, heading_columns, 0, nr - 1);
 116   tab_hline (t, TAL_1, 0, nc - 1, heading_rows);
 117
 118   tab_text (t, 1, 0, TAB_CENTER | TAT_TITLE, _("Mean"));
 119   tab_text (t, 2, 0, TAB_CENTER | TAT_TITLE, _("Std. Deviation"));
 120   tab_text (t, 3, 0, TAB_CENTER | TAT_TITLE, _("N"));
 121
 122   for (r = 0 ; r < corr->n_vars_total ; ++r)
 123     {
 124       const struct variable *v = corr->vars[r];
 125       tab_text (t, 0, r + heading_rows, TAB_LEFT | TAT_TITLE, var_to_string (v));
 126
 127       for (c = 1 ; c < nc ; ++c)
 128         {
 129           double x ;
 130           double n;
 131           switch (c)
 132             {
 133             case 1:
 134               x = gsl_matrix_get (means, r, 0);
 135               break;
 136             case 2:
 137               x = gsl_matrix_get (vars, r, 0);
 138
 139               /* Here we want to display the non-biased estimator */
 140               n = gsl_matrix_get (ns, r, 0);
 141               x *= n / (n -1);
 142
 143               x = sqrt (x);
 144               break;
 145             case 3:
 146               x = gsl_matrix_get (ns, r, 0);
 147               break;
 148             default:
 149               NOT_REACHED ();
 150             };
 151
 152           tab_double (t, c, r + heading_rows, 0, x, NULL);
 153         }
 154     }
 155
 156   tab_submit (t);
 157 }
 158
 159 static void
 160 output_correlation (const struct corr *corr, const struct corr_opts *opts,
 161                     const gsl_matrix *cm, const gsl_matrix *samples,
 162                     const gsl_matrix *cv)
 163 {
 164   int r, c;
 165   struct tab_table *t;
 166   int matrix_cols;
 167   int nr = corr->n_vars1;
 168   int nc = matrix_cols = corr->n_vars_total > corr->n_vars1 ?
 169     corr->n_vars_total - corr->n_vars1 : corr->n_vars1;
 170
 171   const struct fmt_spec *wfmt = opts->wv ? var_get_print_format (opts->wv) : & F_8_0;
 172
 173   const int heading_columns = 2;
 174   const int heading_rows = 1;
 175
 176   int rows_per_variable = opts->missing_type == CORR_LISTWISE ? 2 : 3;
 177
 178   if (opts->statistics & STATS_XPROD)
 179     rows_per_variable += 2;
 180
 181   /* Two header columns */
 182   nc += heading_columns;
 183
 184   /* Three data per variable */
 185   nr *= rows_per_variable;
 186
 187   /* One header row */
 188   nr += heading_rows;
 189
 190   t = tab_create (nc, nr);
 191   tab_title (t, _("Correlations"));
 192
 193   tab_headers (t, heading_columns, 0, heading_rows, 0);
 194
 195   /* Outline the box */
 196   tab_box (t,
 197            TAL_2, TAL_2,
 198            -1, -1,
 199            0, 0,
 200            nc - 1, nr - 1);
 201
 202   /* Vertical lines */
 203   tab_box (t,
 204            -1, -1,
 205            -1, TAL_1,
 206            heading_columns, 0,
 207            nc - 1, nr - 1);
 208
 209   tab_vline (t, TAL_2, heading_columns, 0, nr - 1);
 210   tab_vline (t, TAL_1, 1, heading_rows, nr - 1);
 211
 212   for (r = 0 ; r < corr->n_vars1 ; ++r)
 213     {
 214       tab_text (t, 0, 1 + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE,
 215                 var_to_string (corr->vars[r]));
 216
 217       tab_text (t, 1, 1 + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE, _("Pearson Correlation"));
 218       tab_text (t, 1, 2 + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE,
 219                 (opts->tails == 2) ? _("Sig. (2-tailed)") : _("Sig. (1-tailed)"));
 220
 221       if (opts->statistics & STATS_XPROD)
 222         {
 223           tab_text (t, 1, 3 + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE, _("Cross-products"));
 224           tab_text (t, 1, 4 + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE, _("Covariance"));
 225         }
 226
 227       if ( opts->missing_type != CORR_LISTWISE )
 228         tab_text (t, 1, rows_per_variable + r * rows_per_variable, TAB_LEFT | TAT_TITLE, _("N"));
 229
 230       tab_hline (t, TAL_1, 0, nc - 1, r * rows_per_variable + 1);
 231     }
 232
 233   for (c = 0 ; c < matrix_cols ; ++c)
 234     {
 235       const struct variable *v = corr->n_vars_total > corr->n_vars1 ? corr->vars[corr->n_vars_total - corr->n_vars1 + c] : corr->vars[c];
 236       tab_text (t, heading_columns + c, 0, TAB_LEFT | TAT_TITLE, var_to_string (v));
 237     }
 238
 239   for (r = 0 ; r < corr->n_vars1 ; ++r)
 240     {
 241       const int row = r * rows_per_variable + heading_rows;
 242       for (c = 0 ; c < matrix_cols ; ++c)
 243         {
 244           unsigned char flags = 0;
 245           const int col_index = corr->n_vars_total - corr->n_vars1 + c;
 246           double pearson = gsl_matrix_get (cm, r, col_index);
 247           double w = gsl_matrix_get (samples, r, col_index);
 248           double sig = opts->tails * significance_of_correlation (pearson, w);
 249
 250           if ( opts->missing_type != CORR_LISTWISE )
 251             tab_double (t, c + heading_columns, row + rows_per_variable - 1, 0, w, wfmt);
 252
 253           if ( c != r)
 254             tab_double (t, c + heading_columns, row + 1, 0,  sig, NULL);
 255
 256           if ( opts->sig && c != r && sig < 0.05)
 257             flags = TAB_EMPH;
 258
 259           tab_double (t, c + heading_columns, row, flags, pearson, NULL);
 260
 261           if (opts->statistics & STATS_XPROD)
 262             {
 263               double cov = gsl_matrix_get (cv, r, col_index);
 264               const double xprod_dev = cov * w;
 265               cov *= w / (w - 1.0);
 266
 267               tab_double (t, c + heading_columns, row + 2, 0, xprod_dev, NULL);
 268               tab_double (t, c + heading_columns, row + 3, 0, cov, NULL);
 269             }
 270         }
 271     }
 272
 273   tab_submit (t);
 274 }
 275
 276
 277 static void
 278 run_corr (struct casereader *r, const struct corr_opts *opts, const struct corr *corr)
 279 {
 280   struct ccase *c;
 281   const gsl_matrix *var_matrix,  *samples_matrix, *mean_matrix;
 282   const gsl_matrix *cov_matrix;
 283   gsl_matrix *corr_matrix;
 284   struct covariance *cov = covariance_create (corr->n_vars_total, corr->vars,
 285                                               opts->wv, opts->exclude);
 286
 287   for ( ; (c = casereader_read (r) ); case_unref (c))
 288     {
 289       covariance_accumulate (cov, c);
 290     }
 291
 292   cov_matrix = covariance_calculate (cov);
 293
 294   samples_matrix = covariance_moments (cov, MOMENT_NONE);
 295   var_matrix = covariance_moments (cov, MOMENT_VARIANCE);
 296   mean_matrix = covariance_moments (cov, MOMENT_MEAN);
 297
 298   corr_matrix = correlation_from_covariance (cov_matrix, var_matrix);
 299
 300   if ( opts->statistics & STATS_DESCRIPTIVES)
 301     output_descriptives (corr, mean_matrix, var_matrix, samples_matrix);
 302
 303   output_correlation (corr, opts,
 304                       corr_matrix,
 305                       samples_matrix,
 306                       cov_matrix);
 307
 308   covariance_destroy (cov);
 309   gsl_matrix_free (corr_matrix);
 310 }
 311
 312 int
 313 cmd_correlation (struct lexer *lexer, struct dataset *ds)
 314 {
 315   int i;
 316   int n_all_vars = 0; /* Total number of variables involved in this command */
 317   const struct variable **all_vars ;
 318   const struct dictionary *dict = dataset_dict (ds);
 319   bool ok = true;
 320
 321   struct casegrouper *grouper;
 322   struct casereader *group;
 323
 324   struct corr *corr = NULL;
 325   size_t n_corrs = 0;
 326
 327   struct corr_opts opts;
 328   opts.missing_type = CORR_PAIRWISE;
 329   opts.wv = dict_get_weight (dict);
 330   opts.tails = 2;
 331   opts.sig = false;
 332   opts.exclude = MV_ANY;
 333   opts.statistics = 0;
 334
 335   /* Parse CORRELATIONS. */
 336   while (lex_token (lexer) != '.')
 337     {
 338       lex_match (lexer, '/');
 339       if (lex_match_id (lexer, "MISSING"))
 340         {
 341           lex_match (lexer, '=');
 342           while (lex_token (lexer) != '.' && lex_token (lexer) != '/')
 343             {
 344               if (lex_match_id (lexer, "PAIRWISE"))
 345                 opts.missing_type = CORR_PAIRWISE;
 346               else if (lex_match_id (lexer, "LISTWISE"))
 347                 opts.missing_type = CORR_LISTWISE;
 348
 349               else if (lex_match_id (lexer, "INCLUDE"))
 350                 opts.exclude = MV_SYSTEM;
 351               else if (lex_match_id (lexer, "EXCLUDE"))
 352                 opts.exclude = MV_ANY;
 353               else
 354                 {
 355                   lex_error (lexer, NULL);
 356                   goto error;
 357                 }
 358               lex_match (lexer, ',');
 359             }
 360         }
 361       else if (lex_match_id (lexer, "PRINT"))
 362         {
 363           lex_match (lexer, '=');
 364           while (lex_token (lexer) != '.' && lex_token (lexer) != '/')
 365             {
 366               if ( lex_match_id (lexer, "TWOTAIL"))
 367                 opts.tails = 2;
 368               else if (lex_match_id (lexer, "ONETAIL"))
 369                 opts.tails = 1;
 370               else if (lex_match_id (lexer, "SIG"))
 371                 opts.sig = false;
 372               else if (lex_match_id (lexer, "NOSIG"))
 373                 opts.sig = true;
 374               else
 375                 {
 376                   lex_error (lexer, NULL);
 377                   goto error;
 378                 }
 379
 380               lex_match (lexer, ',');
 381             }
 382         }
 383       else if (lex_match_id (lexer, "STATISTICS"))
 384         {
 385           lex_match (lexer, '=');
 386           while (lex_token (lexer) != '.' && lex_token (lexer) != '/')
 387             {
 388               if ( lex_match_id (lexer, "DESCRIPTIVES"))
 389                 opts.statistics = STATS_DESCRIPTIVES;
 390               else if (lex_match_id (lexer, "XPROD"))
 391                 opts.statistics = STATS_XPROD;
 392               else if (lex_token (lexer) == T_ALL)
 393                 {
 394                   opts.statistics = STATS_ALL;
 395                   lex_get (lexer);
 396                 }
 397               else
 398                 {
 399                   lex_error (lexer, NULL);
 400                   goto error;
 401                 }
 402
 403               lex_match (lexer, ',');
 404             }
 405         }
 406       else
 407         {
 408           if (lex_match_id (lexer, "VARIABLES"))
 409             {
 410               lex_match (lexer, '=');
 411             }
 412
 413           corr = xrealloc (corr, sizeof (*corr) * (n_corrs + 1));
 414           corr[n_corrs].n_vars_total = corr[n_corrs].n_vars1 = 0;
 415
 416           if ( ! parse_variables_const (lexer, dict, &corr[n_corrs].vars,
 417                                         &corr[n_corrs].n_vars_total,
 418                                         PV_NUMERIC))
 419             {
 420               ok = false;
 421               break;
 422             }
 423
 424
 425           corr[n_corrs].n_vars1 = corr[n_corrs].n_vars_total;
 426
 427           if ( lex_match (lexer, T_WITH))
 428             {
 429               if ( ! parse_variables_const (lexer, dict,
 430                                             &corr[n_corrs].vars, &corr[n_corrs].n_vars_total,
 431                                             PV_NUMERIC | PV_APPEND))
 432                 {
 433                   ok = false;
 434                   break;
 435                 }
 436             }
 437
 438           n_all_vars += corr[n_corrs].n_vars_total;
 439
 440           n_corrs++;
 441         }
 442     }
 443
 444   if (n_corrs == 0)
 445     {
 446       msg (SE, _("No variables specified."));
 447       goto error;
 448     }
 449
 450
 451   all_vars = xmalloc (sizeof (*all_vars) * n_all_vars);
 452
 453   {
 454     /* FIXME:  Using a hash here would make more sense */
 455     const struct variable **vv = all_vars;
 456
 457     for (i = 0 ; i < n_corrs; ++i)
 458       {
 459         int v;
 460         const struct corr *c = &corr[i];
 461         for (v = 0 ; v < c->n_vars_total; ++v)
 462           *vv++ = c->vars[v];
 463       }
 464   }
 465
 466   grouper = casegrouper_create_splits (proc_open (ds), dict);
 467
 468   while (casegrouper_get_next_group (grouper, &group))
 469     {
 470       for (i = 0 ; i < n_corrs; ++i)
 471         {
 472           /* FIXME: No need to iterate the data multiple times */
 473           struct casereader *r = casereader_clone (group);
 474
 475           if ( opts.missing_type == CORR_LISTWISE)
 476             r = casereader_create_filter_missing (r, all_vars, n_all_vars,
 477                                                   opts.exclude, NULL, NULL);
 478
 479
 480           run_corr (r, &opts,  &corr[i]);
 481           casereader_destroy (r);
 482         }
 483       casereader_destroy (group);
 484     }
 485
 486   ok = casegrouper_destroy (grouper);
 487   ok = proc_commit (ds) && ok;
 488
 489   free (all_vars);
 490
 491
 492   /* Done. */
 493   free (corr);
 494   return ok ? CMD_SUCCESS : CMD_CASCADING_FAILURE;
 495
 496  error:
 497   free (corr);
 498   return CMD_FAILURE;
 499 }