source: src/main/java/weka/classifiers/lazy/kstar/KStarNumericAttribute.java @ 17

Last change on this file since 17 was 4, checked in by gnappo, 14 years ago

Import di weka.

File size: 18.4 KB
Line 
1/*
2 *    This program is free software; you can redistribute it and/or modify
3 *    it under the terms of the GNU General Public License as published by
4 *    the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
5 *    (at your option) any later version.
6 *
7 *    This program is distributed in the hope that it will be useful,
8 *    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
9 *    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
10 *    GNU General Public License for more details.
11 *
12 *    You should have received a copy of the GNU General Public License
13 *    along with this program; if not, write to the Free Software
14 *    Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
15 */
16
17/**
18 *    KStarNumericAttribute.java
19 *    Copyright (C) 1995 Univeristy of Waikato
20 *    Java port to Weka by Abdelaziz Mahoui (am14@cs.waikato.ac.nz).
21 *
22 */
23
24package weka.classifiers.lazy.kstar;
25
26import weka.core.Attribute;
27import weka.core.Instance;
28import weka.core.Instances;
29import weka.core.RevisionHandler;
30import weka.core.RevisionUtils;
31
32/**
33 * A custom class which provides the environment for computing the
34 * transformation probability of a specified test instance numeric
35 * attribute to a specified train instance numeric attribute.
36 *
37 * @author Len Trigg (len@reeltwo.com)
38 * @author Abdelaziz Mahoui (am14@cs.waikato.ac.nz)
39 * @version $Revision 1.0 $
40 */
41public class KStarNumericAttribute
42  implements KStarConstants, RevisionHandler {
43
44  /** The training instances used for classification. */
45  protected Instances m_TrainSet;
46
47  /** The test instance */
48  protected Instance m_Test;
49
50  /** The train instance */
51  protected Instance m_Train;
52
53  /** The index of the attribute in the test and train instances */
54  protected int m_AttrIndex;
55
56  /** The scale parameter */
57  protected double m_Scale = 1.0;
58
59  /** Probability of test attribute transforming into train attribute
60      with missing value */
61  protected double m_MissingProb = 1.0;
62
63  /** Average probability of test attribute transforming into train
64      attribute */
65  protected double m_AverageProb = 1.0;
66
67  /** Smallest probability of test attribute transforming into train
68      attribute */
69  protected double m_SmallestProb = 1.0;
70
71  /** The set of disctances from the test attribute to the set of train
72      attributes */
73  protected double [] m_Distances;
74
75  /** Set of colomns: each colomn representing a randomised version of
76      the train dataset class colomn */
77  protected int [][] m_RandClassCols;
78
79  /** The number of train instances with no missing attribute values */
80  protected int m_ActualCount = 0;
81
82  /** A cache for storing attribute values and their corresponding scale
83      parameters */
84  protected KStarCache m_Cache;
85
86  /** The number of instances in the dataset */
87  protected int m_NumInstances;
88
89  /** The number of class values */
90  protected int m_NumClasses;
91
92  /** The number of attributes */
93  protected int m_NumAttributes;
94
95  /** The class attribute type */
96  protected int m_ClassType;
97
98  /** missing value treatment */
99  protected int m_MissingMode = M_AVERAGE;
100
101  /** 0 = use specified blend, 1 = entropic blend setting */
102  protected int m_BlendMethod = B_SPHERE ;
103
104  /** default sphere of influence blend setting */
105  protected int m_BlendFactor = 20;
106 
107  /**
108   * Constructor
109   */
110  public KStarNumericAttribute(Instance test, Instance train, int attrIndex,
111                               Instances trainSet, 
112                               int [][] randClassCols, 
113                               KStarCache cache)
114  {
115    m_Test      = test;
116    m_Train     = train;
117    m_AttrIndex = attrIndex;
118    m_TrainSet  = trainSet;
119    m_RandClassCols = randClassCols;
120    m_Cache = cache;
121    init();
122  }
123
124  /**
125   * Initializes the m_Attributes of the class.
126   */
127  private void init() {
128    try {
129      m_NumInstances  = m_TrainSet.numInstances();
130      m_NumClasses    = m_TrainSet.numClasses();
131      m_NumAttributes = m_TrainSet.numAttributes();
132      m_ClassType     = m_TrainSet.classAttribute().type();
133    } catch(Exception e) {
134      e.printStackTrace();
135    }
136  }
137 
138  /**
139   * Calculates the transformation probability of the attribute indexed
140   * "m_AttrIndex" in test instance "m_Test" to the same attribute in
141   * the train instance "m_Train".
142   *
143   * @return the probability value
144   */
145  public double transProb() {
146    String debug = "(KStarNumericAttribute.transProb) ";
147    double transProb, distance, scale;
148    // check if the attribute value has been encountred before
149    // in which case it should be in the numeric cache
150    if ( m_Cache.containsKey(m_Test.value(m_AttrIndex))) {
151      KStarCache.TableEntry te = 
152        m_Cache.getCacheValues( m_Test.value(m_AttrIndex) );
153      m_Scale = te.value;
154      m_MissingProb = te.pmiss;
155    }
156    else {
157      if (m_BlendMethod == B_ENTROPY) {
158        m_Scale = scaleFactorUsingEntropy();
159      }
160      else { // default is B_SPHERE
161        m_Scale = scaleFactorUsingBlend();
162      }
163      m_Cache.store( m_Test.value(m_AttrIndex), m_Scale, m_MissingProb );
164    }
165    // now what???
166    if (m_Train.isMissing(m_AttrIndex)) {
167      transProb = m_MissingProb;
168    }
169    else {
170      distance = 
171        Math.abs( m_Test.value(m_AttrIndex) - m_Train.value(m_AttrIndex) );
172      transProb = PStar( distance, m_Scale );
173    }
174    return transProb;
175  }
176 
177  /**
178   * Calculates the scale factor for the attribute indexed
179   * "m_AttrIndex" in test instance "m_Test" using a global
180   * blending factor (default value is 20%).
181   *
182   * @return the scale factor value
183   */
184  private double scaleFactorUsingBlend() {
185    String debug = "(KStarNumericAttribute.scaleFactorUsingBlend)";
186    int i, j, lowestcount = 0, count = 0;
187    double lowest = -1.0, nextlowest = -1.0;
188    double root, broot, up, bot;
189    double aimfor, min_val = 9e300, scale = 1.0;
190    double avgprob = 0.0, minprob = 0.0, min_pos = 0.0;
191
192    KStarWrapper botvals = new KStarWrapper();
193    KStarWrapper upvals = new KStarWrapper();
194    KStarWrapper vals = new KStarWrapper();
195
196    m_Distances = new double [m_NumInstances];
197
198    for (j=0; j<m_NumInstances; j++) {
199      if ( m_TrainSet.instance(j).isMissing(m_AttrIndex) ) {
200        // mark the train instance with a missing value by setting
201        // the distance to -1.0
202        m_Distances[j] = -1.0;
203      }
204      else {
205        m_Distances[j] = Math.abs(m_TrainSet.instance(j).value(m_AttrIndex) - 
206                                  m_Test.value(m_AttrIndex));
207        if ( (m_Distances[j]+1e-5) < nextlowest || nextlowest == -1.0 ) {
208          if ( (m_Distances[j]+1e-5) < lowest || lowest == -1.0 ) {
209            nextlowest = lowest;
210            lowest = m_Distances[j];
211            lowestcount = 1;
212          }
213          else if ( Math.abs(m_Distances[j]-lowest) < 1e-5 ) {
214            // record the number training instances (number n0) at
215            // the smallest distance from test instance
216            lowestcount++;
217          }
218          else {
219            nextlowest = m_Distances[j];
220          }
221        }
222        // records the actual number of instances with no missing value
223        m_ActualCount++;
224      }
225    }
226   
227    if (nextlowest == -1 || lowest == -1) { // Data values are all the same
228      scale = 1.0;
229      m_SmallestProb = m_AverageProb = 1.0;
230      return scale;
231    }
232    else {
233      // starting point for root
234      root = 1.0 / (nextlowest - lowest);
235      i = 0;
236      // given the expression: n0 <= E(scale) <= N
237      // E(scale) =  (N - n0) * b + n0  with blending factor: 0 <= b <= 1
238      // aimfor = (N - n0) * b + n0
239      aimfor = (m_ActualCount - lowestcount) * 
240        (double)m_BlendFactor / 100.0 + lowestcount;
241      if (m_BlendFactor == 0) {
242        aimfor += 1.0;
243      }
244      // root is bracketed in interval [bot,up]
245      bot = 0.0 + ROOT_FINDER_ACCURACY / 2.0;
246      up = root * 16;     // This is bodgy
247      // E(bot)
248      calculateSphereSize(bot, botvals);
249      botvals.sphere -= aimfor;
250      // E(up)
251      calculateSphereSize(up, upvals);
252      upvals.sphere -= aimfor;
253     
254      if (botvals.sphere < 0) {    // Couldn't include that many
255                                   // instances - going for max possible
256        min_pos = bot;
257        avgprob = botvals.avgProb;
258        minprob = botvals.minProb;
259      }
260      else if (upvals.sphere > 0) { // Couldn't include that few,
261                                    // going for min possible
262        min_pos = up;
263        avgprob = upvals.avgProb;
264        minprob = upvals.minProb;
265      }
266      else {
267        // Root finding Algorithm starts here !
268        for (;;) {
269          calculateSphereSize(root, vals);
270          vals.sphere -= aimfor;
271          if ( Math.abs(vals.sphere) < min_val ) {
272            min_val = Math.abs(vals.sphere);
273            min_pos = root;
274            avgprob = vals.avgProb;
275            minprob = vals.minProb;
276          }
277          if ( Math.abs(vals.sphere) <= ROOT_FINDER_ACCURACY ) {
278            break;        // converged to a solution, done!
279          }
280          if (vals.sphere > 0.0) {
281            broot = (root + up) / 2.0;
282            bot = root;
283            root = broot;
284          }
285          else {
286            broot = (root + bot) / 2.0;
287            up = root;
288            root = broot;
289          }
290          i++;
291          if (i > ROOT_FINDER_MAX_ITER) {
292            //      System.err.println("Warning: "+debug+"
293            // ROOT_FINDER_MAX_ITER exceeded");
294            root = min_pos;
295            break;
296          }
297        }
298      }
299
300      m_SmallestProb = minprob;
301      m_AverageProb = avgprob;
302      // Set the probability of transforming to a missing value
303      switch ( m_MissingMode )
304        {
305        case M_DELETE:
306          m_MissingProb = 0.0;
307          break;
308        case M_NORMAL:
309          m_MissingProb = 1.0;
310          break;
311        case M_MAXDIFF:
312          m_MissingProb = m_SmallestProb;
313          break;
314        case M_AVERAGE:
315          m_MissingProb = m_AverageProb;
316          break;
317        }
318      // set the scale factor value
319      scale = min_pos;
320      return scale;
321    }
322  }
323 
324  /**
325   * Calculates the size of the "sphere of influence" defined as:
326   * sphere = sum(P)^2/sum(P^2) where
327   * P(i) = root*exp(-2*i*root).
328   * Since there are n different training instances we multiply P(i) by 1/n.
329   */
330  private void calculateSphereSize(double scale, KStarWrapper params) {
331    String debug = "(KStarNumericAttribute.calculateSphereSize)";
332    int i;
333    double sphereSize, minprob = 1.0;
334    double pstar;                // P*(b|a)
335    double pstarSum = 0.0;       // sum(P*)
336    double pstarSquareSum = 0.0; // sum(P*^2)
337    double inc;
338    for (i = 0; i < m_NumInstances; i++) {
339      if (m_Distances[i] < 0) {
340        // instance with missing value
341        continue;
342      }
343      else {
344        pstar = PStar( m_Distances[i], scale );
345        if (minprob > pstar) {
346          minprob = pstar;
347        }
348        inc = pstar / m_ActualCount;
349        pstarSum += inc;
350        pstarSquareSum += inc * inc;
351      }
352    }
353    sphereSize = (pstarSquareSum == 0 ? 0 
354                  : pstarSum * pstarSum / pstarSquareSum);
355    // return the values
356    params.sphere = sphereSize;
357    params.avgProb = pstarSum;
358    params.minProb = minprob;
359  }
360 
361  /**
362   * Calculates the scale factor using entropy.
363   *
364   * @return the scale factor value
365   */
366  private double scaleFactorUsingEntropy() {
367    String debug = "(KStarNumericAttribute.scaleFactorUsingEntropy)";
368    if ( m_ClassType != Attribute.NOMINAL ) {
369      System.err.println("Error: "+debug+" attribute class must be nominal!");
370      System.exit(1);
371    }
372    int i,j, lowestcount = 0, count, itcount;
373    double lowest = -1.0, nextlowest = -1.0;
374    double root, up, bot, stepsize, delta;
375    double actentropy = 0.0, randentropy = 0.0, actscale, randscale;
376    double minrand = 0.0, minact = 0.0, maxrand = 0.0, maxact = 0.0;
377    double bestdiff, bestroot, currentdiff, lastdiff;
378    double bestpsum, bestminprob, scale = 1.0;
379
380    KStarWrapper botvals = new KStarWrapper();
381    KStarWrapper upvals = new KStarWrapper();
382    KStarWrapper vals = new KStarWrapper();
383
384    m_Distances = new double [m_NumInstances];
385
386    for (j=0; j<m_NumInstances; j++) {
387      if ( m_TrainSet.instance(j).isMissing(m_AttrIndex) ) {
388        // mark the train instance with a missing value by setting
389        // the distance to -1.0
390        m_Distances[j] = -1.0;
391      }
392      else {
393        m_Distances[j] = Math.abs(m_TrainSet.instance(j).value(m_AttrIndex) - 
394                                  m_Test.value(m_AttrIndex));
395       
396        if ( (m_Distances[j]+1e-5) < nextlowest || nextlowest == -1.0 ) {
397          if ( (m_Distances[j]+1e-5) < lowest || lowest == -1.0 ) {
398            nextlowest = lowest;
399            lowest = m_Distances[j];
400            lowestcount = 1;
401          }
402          else if ( Math.abs(m_Distances[j]-lowest) < 1e-5 ) {
403            // record the number training instances (number n0) at
404            // the smallest distance from test instance
405            lowestcount++;
406          }
407          else {
408            nextlowest = m_Distances[j];
409          }
410        }
411        // records the actual number of instances with no missing value
412        m_ActualCount++;
413      }
414    } // for
415   
416    if (nextlowest == -1 || lowest == -1) { // Data values are all the same
417      scale = 1.0;
418      m_SmallestProb = m_AverageProb = 1.0;
419      return scale;
420    }
421    else {
422      // starting point for root
423      root = 1.0 / (nextlowest - lowest);
424      // root is bracketed in interval [bot,up]
425      bot = 0.0 + ROOT_FINDER_ACCURACY / 2; 
426      up = root * 8; // This is bodgy
427      // Find (approx) entropy ranges
428      calculateEntropy(up, upvals);
429      calculateEntropy(bot, botvals);
430      actscale = botvals.actEntropy - upvals.actEntropy;
431      randscale = botvals.randEntropy - upvals.randEntropy;
432      // Optimise the scale factor
433      bestroot = root = bot;
434      bestdiff = currentdiff = FLOOR1;
435      bestpsum = botvals.avgProb;
436      bestminprob = botvals.minProb;
437      stepsize = (up - bot) / 20.0;
438      itcount = 0;
439      // Root finding algorithm starts here!
440      while (true)
441        {
442          itcount++;
443          lastdiff = currentdiff;
444          root += Math.log(root + 1.0) * stepsize;
445          if (root <= bot) {
446            root = bot;
447            currentdiff = 0.0;
448            delta = -1.0;
449          }
450          else if (root >= up) {
451            root = up;
452            currentdiff = 0.0;
453            delta = -1.0;
454          }
455          else {
456            calculateEntropy(root, vals);
457            // Normalise entropies
458            vals.randEntropy = (vals.randEntropy - upvals.randEntropy) / 
459              randscale;
460            vals.actEntropy = (vals.actEntropy - upvals.actEntropy) / 
461              randscale;
462            currentdiff = vals.randEntropy - vals.actEntropy;
463
464            if (currentdiff < FLOOR1) {
465              currentdiff = FLOOR1;
466              if (stepsize < 0) { 
467                // If we've hit the end and turned around we can't
468                // have found any peaks
469                bestdiff = currentdiff;
470                bestroot = bot;
471                bestpsum = botvals.avgProb;
472                bestminprob = botvals.minProb;
473                break;
474              }
475            }
476            delta = currentdiff - lastdiff;
477          }
478          if (currentdiff > bestdiff) {
479            bestdiff = currentdiff;
480            bestroot = root;
481            bestminprob = vals.minProb;
482            bestpsum = vals.avgProb;
483          }
484          if (delta < 0) {
485            if (Math.abs(stepsize) < ROOT_FINDER_ACCURACY) {
486              break;
487            }
488            else {
489              stepsize /= -4.0;
490            }
491          }
492          if (itcount > ROOT_FINDER_MAX_ITER) {
493            //  System.err.println("Warning: "+debug+" ROOT_FINDER_MAX_ITER
494            // exceeded");
495            break;
496          }
497        } // while
498
499      m_SmallestProb = bestminprob;
500      m_AverageProb = bestpsum;
501      // Set the probability of transforming to a missing value
502      switch ( m_MissingMode )
503        {
504        case M_DELETE:
505          m_MissingProb = 0.0;
506          break;
507        case M_NORMAL:
508          m_MissingProb = 1.0;
509          break;
510        case M_MAXDIFF:
511          m_MissingProb = m_SmallestProb;
512          break;
513        case M_AVERAGE:
514          m_MissingProb = m_AverageProb;
515          break;
516        }
517      // set scale factor
518      scale = bestroot;
519    } // else
520    return scale;
521  }
522
523  /**
524   * Calculates several parameters aside from the entropy: for a specified
525   * scale factor, calculates the actual entropy, a random entropy using a
526   * randomized set of class value colomns, and records the average and
527   * smallest probabilities (for use in missing value case).
528   */
529  private void calculateEntropy(double scale, KStarWrapper params) {   
530    String debug = "(KStarNumericAttribute.calculateEntropy)";
531    int i,j,k;
532    double actent = 0.0, randent = 0.0;
533    double pstar, tprob, avgprob = 0.0, minprob = 1.0;
534    double actClassProb, randClassProb;
535    double [][] pseudoClassProbs = new double[NUM_RAND_COLS+1][m_NumClasses];
536    // init
537    for(j = 0; j <= NUM_RAND_COLS; j++) {
538      for(i = 0; i < m_NumClasses; i++) {
539        pseudoClassProbs[j][i] = 0.0;
540      }
541    }
542    for (i=0; i < m_NumInstances; i++) {
543      if (m_Distances[i] < 0) {
544        // train instance has mising value
545        continue;
546      }
547      else {
548        pstar = PStar(m_Distances[i], scale);
549        tprob = pstar / m_ActualCount;
550        avgprob += tprob;
551        if (pstar < minprob) {
552          minprob = pstar;
553        }
554        // filter instances with same class value
555        for (k=0; k <= NUM_RAND_COLS; k++) {
556          // instance i is assigned a random class value in colomn k;
557          // colomn k = NUM_RAND_COLS contains the original mapping:
558          // instance -> class vlaue
559          pseudoClassProbs[k][ m_RandClassCols[k][i] ] += tprob;
560        }
561      }
562    }
563    // compute the actual entropy using the class probabilities
564    // with the original class value mapping (colomn NUM_RAND_COLS)
565    for (j = m_NumClasses-1; j >= 0; j--) {
566      actClassProb = pseudoClassProbs[NUM_RAND_COLS][j] / avgprob;
567      if (actClassProb > 0) {
568        actent -= actClassProb * Math.log(actClassProb) / LOG2;
569      }
570    }
571    // compute a random entropy using the pseudo class probs
572    // excluding the colomn NUM_RAND_COLS
573    for (k=0; k < NUM_RAND_COLS; k++) {
574      for (i = m_NumClasses-1; i >= 0; i--) {
575        randClassProb = pseudoClassProbs[k][i] / avgprob;
576        if (randClassProb > 0) {
577          randent -= randClassProb * Math.log(randClassProb) / LOG2;
578        }
579      }
580    }
581    randent /= NUM_RAND_COLS;
582    // return the values
583    params.actEntropy = actent;
584    params.randEntropy = randent;
585    params.avgProb = avgprob;
586    params.minProb = minprob;
587  }
588
589  /**
590   * Calculates the value of P for a given value x using the expression:
591   * P(x) = scale * exp( -2.0 * x * scale )
592   *
593   * @param x input value
594   * @param scale the scale factor
595   * @return output of the function P(x)
596   */         
597  private double PStar(double x, double scale) {
598    return scale * Math.exp( -2.0 * x * scale );
599  }
600
601  /**
602   * Set options.
603   * @param missingmode the missing value treatment to use
604   * @param blendmethod the blending method to use
605   * @param blendfactor the level of blending to use
606   */
607  public void setOptions(int missingmode, int blendmethod, int blendfactor) {
608    m_MissingMode = missingmode;
609    m_BlendMethod = blendmethod;
610    m_BlendFactor = blendfactor;
611  }
612
613  /**
614   * Set the missing value mode.
615   * @param mode the type of missing value treatment to use
616   */
617  public void setMissingMode(int mode) {
618    m_MissingMode = mode;
619  }
620
621  /**
622   * Set the blending method
623   * @param method the blending method to use
624   */
625  public void setBlendMethod(int method) {
626    m_BlendMethod = method;
627  }
628
629  /**
630   * Set the blending factor
631   * @param factor the level of blending to use
632   */
633  public void setBlendFactor(int factor) {
634    m_BlendFactor = factor;
635  }
636 
637  /**
638   * Returns the revision string.
639   *
640   * @return            the revision
641   */
642  public String getRevision() {
643    return RevisionUtils.extract("$Revision: 1.7 $");
644  }
645} // class
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.