Constness
[pspp] / src / math / covariance.c
index 1548187b3c0b1c7c19d8481c2e74e9b267e809a8..f0161a54c529c59b187d840611e3cde134d45852 100644 (file)
 #include <data/case.h>
 #include <data/variable.h>
 #include <libpspp/misc.h>
+#include "categoricals.h"
 
 #define n_MOMENTS (MOMENT_VARIANCE + 1)
 
 
+/* Create a new matrix of NEW_SIZE x NEW_SIZE and copy the elements of
+   matrix IN into it.  IN must be a square matrix, and in normal usage
+   it will be smaller than NEW_SIZE.
+   IN is destroyed by this function.  The return value must be destroyed
+   when no longer required.
+*/
+static gsl_matrix *
+resize_matrix (gsl_matrix *in, size_t new_size)
+{
+  size_t i, j;
+
+  gsl_matrix *out = NULL;
+
+  assert (in->size1 == in->size2);
+
+  if (new_size <= in->size1)
+    return in;
+
+  out = gsl_matrix_calloc (new_size, new_size);
+
+  for (i = 0; i < in->size1; ++i)
+    {
+      for (j = 0; j < in->size2; ++j)
+       {
+         double x = gsl_matrix_get (in, i, j);
+
+         gsl_matrix_set (out, i, j, x);
+       }
+    }
+    
+  gsl_matrix_free (in);
+
+  return out;
+}
+
 struct covariance
 {
   /* The variables for which the covariance matrix is to be calculated. */
   size_t n_vars;
-  const struct variable **vars;
+  const struct variable *const *vars;
 
   /* Categorical variables. */
-  size_t n_catvars;
-  const struct variable **catvars;
+  struct categoricals *categoricals;
 
   /* Array containing number of categories per categorical variable. */
   size_t *n_categories;
@@ -96,26 +131,22 @@ covariance_moments (const struct covariance *cov, int m)
 /* Create a covariance struct.
  */
 struct covariance *
-covariance_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
-                  const struct variable *weight, enum mv_class exclude, 
-                  short passes)
+covariance_1pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
+                        const struct variable *weight, enum mv_class exclude)
 {
   size_t i;
-  struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
-  assert (passes == 1 || passes == 2);
-  cov->passes = passes;
+  struct covariance *cov = xzalloc (sizeof *cov);
+
+  cov->passes = 1;
   cov->state = 0;
   cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
   
-  cov->vars = xmalloc (sizeof *cov->vars * n_vars);
+  cov->vars = vars;
 
   cov->wv = weight;
   cov->n_vars = n_vars;
   cov->dim = n_vars;
 
-  for (i = 0; i < n_vars; ++i)
-    cov->vars[i] = vars[i];
-
   cov->moments = xmalloc (sizeof *cov->moments * n_MOMENTS);
   
   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
@@ -125,7 +156,9 @@ covariance_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
 
   cov->n_cm = (n_vars * (n_vars - 1)  ) / 2;
 
-  cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+  if (cov->n_cm > 0)
+    cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+  cov->categoricals = NULL;
 
   return cov;
 }
@@ -137,33 +170,35 @@ covariance_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
   until then.
  */
 struct covariance *
-covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable **vars,
-                        size_t n_catvars, const struct variable **catvars, 
-                        const struct variable *weight, enum mv_class exclude)
+covariance_2pass_create (size_t n_vars, const struct variable *const *vars,
+                        size_t n_catvars, const struct variable *const *catvars, 
+                        const struct variable *wv, enum mv_class exclude)
 {
   size_t i;
   struct covariance *cov = xmalloc (sizeof *cov);
-  cov->vars = xmalloc (sizeof *cov->vars * n_vars);
-  cov->catvars = xnmalloc (n_catvars, sizeof (*cov->catvars));
-  cov->n_categories = xnmalloc (n_catvars, sizeof (cov->n_categories));
-
-  cov->wv = weight;
-  cov->n_vars = n_vars;
-  cov->n_catvars = n_catvars;
 
-  for (i = 0; i < n_vars; ++i)
-    cov->vars[i] = vars[i];
+  cov->passes = 2;
+  cov->state = 0;
+  cov->pass_one_first_case_seen = cov->pass_two_first_case_seen = false;
+  
+  cov->vars = vars;
 
-  for (i = 0; i < n_catvars; i++)
-    {
-      cov->catvars[i] = catvars[i];
-      cov->n_categories[i] = 0;
-    }
+  cov->wv = wv;
+  cov->n_vars = n_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 = -1;
+  cov->cm = NULL;
+
+  cov->categoricals = categoricals_create (catvars, n_catvars, wv, exclude);
+
   return cov;
 }
 
@@ -177,16 +212,16 @@ static int
 cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
 {
   int as;
-  const int n2j = cov->n_vars - 2 - j;
-  const int nj = cov->n_vars - 2 ;
+  const int n2j = cov->dim - 2 - j;
+  const int nj = cov->dim - 2 ;
   
   assert (i >= 0);
-  assert (j < cov->n_vars);
+  assert (j < cov->dim);
 
   if ( i == 0)
     return -1;
 
-  if (j >= cov->n_vars - 1)
+  if (j >= cov->dim - 1)
     return -1;
 
   if ( i <= j) 
@@ -199,7 +234,41 @@ cm_idx (const struct covariance *cov, int i, int j)
   return i - 1 + as;
 }
 
-static void
+
+/*
+  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);
+
+  const union value *val = case_data (c, var);
+
+  return var_is_value_missing (var, val, cov->exclude);
+}
+
+
+static double
+get_val (const struct covariance *cov, int i, const struct ccase *c)
+{
+  if ( i < cov->n_vars)
+    {
+      const struct variable *var = cov->vars[i];
+
+      const union value *val = case_data (c, var);
+
+      return val->f;
+    }
+
+  return categoricals_get_binary_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars, c);
+}
+
+#if 0
+void
 dump_matrix (const gsl_matrix *m)
 {
   size_t i, j;
@@ -211,6 +280,7 @@ dump_matrix (const gsl_matrix *m)
       printf ("\n");
     }
 }
+#endif
 
 /* Call this function for every case in the data set */
 void
@@ -226,19 +296,20 @@ covariance_accumulate_pass1 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
       cov->state = 1;
     }
 
-  for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+  categoricals_update (cov->categoricals, c);
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
     {
-      const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
+      double v1 = get_val (cov, i, c);
 
-      if ( var_is_value_missing (cov->vars[i], val1, cov->exclude))
+      if ( is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
-      for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
        {
          double pwr = 1.0;
-         const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
 
-         if ( var_is_value_missing (cov->vars[j], val2, cov->exclude))
+         if ( is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          for (m = 0 ; m <= MOMENT_MEAN; ++m)
@@ -246,7 +317,7 @@ covariance_accumulate_pass1 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
              double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
 
              *x += pwr * weight;
-             pwr *= val1->f;
+             pwr *= v1;
            }
        }
     }
@@ -267,36 +338,81 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
 
   if (! cov->pass_two_first_case_seen)
     {
+      size_t m;
       assert (cov->state == 1);
       cov->state = 2;
 
+      cov->dim = cov->n_vars +
+       categoricals_total (cov->categoricals) - categoricals_get_n_variables (cov->categoricals);
+
+      cov->n_cm = (cov->dim * (cov->dim - 1)  ) / 2;
+      cov->cm = xcalloc (sizeof *cov->cm, cov->n_cm);
+
+      /* Grow the moment matrices so that they're large enough to accommodate the
+        categorical elements */
+      for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
+       {
+         cov->moments[i] = resize_matrix (cov->moments[i], cov->dim);
+       }
+
+      categoricals_done (cov->categoricals);
+
+      /* Populate the moments matrices with the categorical value elements */
+      for (i = cov->n_vars; i < cov->dim; ++i)
+       {
+         for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j) /* FIXME: This is WRONG !!! */
+           {
+             double w = categoricals_get_weight_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
+
+             gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j, w);
+
+             w = categoricals_get_sum_by_subscript (cov->categoricals, i - cov->n_vars);
+
+             gsl_matrix_set (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j, w);
+           }
+       }
+
+      /* FIXME: This is WRONG!!  It must be fixed to properly handle missing values.  For
+       now it assumes there are none */
+      for (m = 0 ; m < n_MOMENTS; ++m)
+       {
+         for (i = 0 ; i < cov->dim ; ++i)
+           {
+             double x = gsl_matrix_get (cov->moments[m], i, cov->n_vars -1);
+             for (j = cov->n_vars; j < cov->dim; ++j)
+               {
+                 gsl_matrix_set (cov->moments[m], i, j, x);
+               }
+           }
+       }
+
       /* Divide the means by the number of samples */
-      for (i = 0; i < cov->n_vars; ++i)
+      for (i = 0; i < cov->dim; ++i)
        {
-         for (j = 0; j < cov->n_vars; ++j)
+         for (j = 0; j < cov->dim; ++j)
            {
              double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j);
              *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_NONE], i, j);
-           }
+           }
        }
     }
 
-  for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
     {
-      const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
+      double v1 = get_val (cov, i, c);
 
-      if ( var_is_value_missing (cov->vars[i], val1, cov->exclude))
+      if ( is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
-      for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
        {
          int idx;
          double ss ;
-         const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
+         double v2 = get_val (cov, j, c);
 
-         const double s = pow2 (val1->f - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)) * weight;
+         const double s = pow2 (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j)) * weight;
 
-         if ( var_is_value_missing (cov->vars[j], val2, cov->exclude))
+         if ( is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          {
@@ -305,9 +421,9 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
          }
 
          ss = 
-           (val1->f - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
+           (v1 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
            * 
-           (val2->f - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
+           (v2 - gsl_matrix_get (cov->moments[MOMENT_MEAN], i, j))
            * weight
            ;
 
@@ -316,7 +432,6 @@ covariance_accumulate_pass2 (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
            {
              cov->cm [idx] += ss;
            }
-
        }
     }
 
@@ -341,20 +456,20 @@ covariance_accumulate (struct covariance *cov, const struct ccase *c)
       cov->state = 1;
     }
 
-  for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
     {
       const union value *val1 = case_data (c, cov->vars[i]);
 
-      if ( var_is_value_missing (cov->vars[i], val1, cov->exclude))
+      if ( is_missing (cov, i, c))
        continue;
 
-      for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
        {
          double pwr = 1.0;
          int idx;
          const union value *val2 = case_data (c, cov->vars[j]);
 
-         if ( var_is_value_missing (cov->vars[j], val2, cov->exclude))
+         if ( is_missing (cov, j, c))
            continue;
 
          idx = cm_idx (cov, i, j);
@@ -385,12 +500,12 @@ static gsl_matrix *
 cm_to_gsl (struct covariance *cov)
 {
   int i, j;
-  gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->n_vars, cov->n_vars);
+  gsl_matrix *m = gsl_matrix_calloc (cov->dim, cov->dim);
 
   /* Copy the non-diagonal elements from cov->cm */
-  for ( j = 0 ; j < cov->n_vars - 1; ++j)
+  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
     {
-      for (i = j+1 ; i < cov->n_vars; ++i)
+      for (i = j+1 ; i < cov->dim; ++i)
        {
          double x = cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
          gsl_matrix_set (m, i, j, x);
@@ -399,7 +514,7 @@ cm_to_gsl (struct covariance *cov)
     }
 
   /* Copy the diagonal elements from cov->moments[2] */
-  for (j = 0 ; j < cov->n_vars ; ++j)
+  for (j = 0 ; j < cov->dim ; ++j)
     {
       double sigma = gsl_matrix_get (cov->moments[2], j, j);
       gsl_matrix_set (m, j, j, sigma);
@@ -413,9 +528,9 @@ static const gsl_matrix *
 covariance_calculate_double_pass (struct covariance *cov)
 {
   size_t i, j;
-  for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
     {
-      for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+      for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
        {
          int idx;
          double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[MOMENT_VARIANCE], i, j);
@@ -444,9 +559,9 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
       /* Divide the moments by the number of samples */
       if ( m > 0)
        {
-         for (i = 0 ; i < cov->n_vars; ++i)
+         for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
            {
-             for (j = 0 ; j < cov->n_vars; ++j)
+             for (j = 0 ; j < cov->dim; ++j)
                {
                  double *x = gsl_matrix_ptr (cov->moments[m], i, j);
                  *x /= gsl_matrix_get (cov->moments[0], i, j);
@@ -459,9 +574,9 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
     }
 
   /* Centre the moments */
-  for ( j = 0 ; j < cov->n_vars - 1; ++j)
+  for ( j = 0 ; j < cov->dim - 1; ++j)
     {
-      for (i = j + 1 ; i < cov->n_vars; ++i)
+      for (i = j + 1 ; i < cov->dim; ++i)
        {
          double *x = &cov->cm [cm_idx (cov, i, j)];
          
@@ -478,7 +593,6 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
 }
 
 
-
 /* 
    Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.
    The matrix remains owned by the COV object, and must not be freed.
@@ -487,7 +601,8 @@ covariance_calculate_single_pass (struct covariance *cov)
 const gsl_matrix *
 covariance_calculate (struct covariance *cov)
 {
-  assert ( cov->state > 0 );
+  if ( cov->state <= 0 )
+    return NULL;
 
   switch (cov->passes)
     {
@@ -502,7 +617,95 @@ covariance_calculate (struct covariance *cov)
     }
 }
 
+/*
+  Covariance computed without dividing by the sample size.
+ */
+static const 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);
+}
+
+static const gsl_matrix *
+covariance_calculate_single_pass_unnormalized (struct covariance *cov)
+{
+  size_t i, j;
+
+  for (i = 0 ; i < cov->dim; ++i)
+    {
+      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)
+       {
+         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);
+       }
+    }
+
+  return cm_to_gsl (cov);
+}
+
+
+/* 
+   Return a pointer to gsl_matrix containing the pairwise covariances.
+   The matrix remains owned by the COV object, and must not be freed.
+   Call this function only after all data have been accumulated.
+*/
+const gsl_matrix *
+covariance_calculate_unnormalized (struct covariance *cov)
+{
+  if ( cov->state <= 0 )
+    return NULL;
+
+  switch (cov->passes)
+    {
+    case 1:
+      return covariance_calculate_single_pass_unnormalized (cov);  
+      break;
+    case 2:
+      return covariance_calculate_double_pass_unnormalized (cov);  
+      break;
+    default:
+      NOT_REACHED ();
+    }
+}
 
+/* Function to access the categoricals used by COV
+   The return value is owned by the COV
+*/
+const struct categoricals *
+covariance_get_categoricals (const struct covariance *cov)
+{
+  return cov->categoricals;
+}
 
 
 /* Destroy the COV object */
@@ -510,7 +713,8 @@ void
 covariance_destroy (struct covariance *cov)
 {
   size_t i;
-  free (cov->vars);
+
+  categoricals_destroy (cov->categoricals);
 
   for (i = 0; i < n_MOMENTS; ++i)
     gsl_matrix_free (cov->moments[i]);