source: src/main/java/weka/clusterers/MakeDensityBasedClusterer.java @ 17

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

Import di weka.

File size: 17.3 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 *    MakeDensityBasedClusterer.java
19 *    Copyright (C) 2002 University of Waikato, Hamilton, New Zealand
20 *
21 */
22
23package weka.clusterers;
24
25import weka.core.Capabilities;
26import weka.core.Instance;
27import weka.core.Instances;
28import weka.core.Option;
29import weka.core.OptionHandler;
30import weka.core.RevisionUtils;
31import weka.core.Utils;
32import weka.core.WeightedInstancesHandler;
33import weka.core.Capabilities.Capability;
34import weka.estimators.DiscreteEstimator;
35import weka.filters.unsupervised.attribute.ReplaceMissingValues;
36
37import java.util.Enumeration;
38import java.util.Vector;
39
40/**
41 <!-- globalinfo-start -->
42 * Class for wrapping a Clusterer to make it return a distribution and density. Fits normal distributions and discrete distributions within each cluster produced by the wrapped clusterer. Supports the NumberOfClustersRequestable interface only if the wrapped Clusterer does.
43 * <p/>
44 <!-- globalinfo-end -->
45 *
46 <!-- options-start -->
47 * Valid options are: <p/>
48 *
49 * <pre> -M &lt;num&gt;
50 *  minimum allowable standard deviation for normal density computation
51 *  (default 1e-6)</pre>
52 *
53 * <pre> -W &lt;clusterer name&gt;
54 *  Clusterer to wrap.
55 *  (default weka.clusterers.SimpleKMeans)</pre>
56 *
57 * <pre>
58 * Options specific to clusterer weka.clusterers.SimpleKMeans:
59 * </pre>
60 *
61 * <pre> -N &lt;num&gt;
62 *  number of clusters.
63 *  (default 2).</pre>
64 *
65 * <pre> -V
66 *  Display std. deviations for centroids.
67 * </pre>
68 *
69 * <pre> -M
70 *  Replace missing values with mean/mode.
71 * </pre>
72 *
73 * <pre> -S &lt;num&gt;
74 *  Random number seed.
75 *  (default 10)</pre>
76 *
77 <!-- options-end -->
78 *
79 * Options after "--" are passed on to the base clusterer.
80 *
81 * @author Richard Kirkby (rkirkby@cs.waikato.ac.nz)
82 * @author Mark Hall (mhall@cs.waikato.ac.nz)
83 * @author Eibe Frank (eibe@cs.waikato.ac.nz)
84 * @version $Revision: 5488 $
85 */
86public class MakeDensityBasedClusterer 
87  extends AbstractDensityBasedClusterer
88  implements NumberOfClustersRequestable, 
89             OptionHandler, 
90             WeightedInstancesHandler {
91
92  /** for serialization */
93  static final long serialVersionUID = -5643302427972186631L;
94 
95  /** holds training instances header information */
96  private Instances m_theInstances;
97  /** prior probabilities for the fitted clusters */
98  private double [] m_priors;
99  /** normal distributions fitted to each numeric attribute in each cluster */
100  private double [][][] m_modelNormal;
101  /** discrete distributions fitted to each discrete attribute in each cluster */
102  private DiscreteEstimator [][] m_model;
103  /** default minimum standard deviation */
104  private double m_minStdDev = 1e-6;
105  /** The clusterer being wrapped */
106  private Clusterer m_wrappedClusterer = new weka.clusterers.SimpleKMeans();
107  /** globally replace missing values */
108  private ReplaceMissingValues m_replaceMissing;
109
110  /**
111   * Default constructor.
112   *
113   */ 
114  public MakeDensityBasedClusterer() {
115    super();
116  }
117   
118  /**
119   * Contructs a MakeDensityBasedClusterer wrapping a given Clusterer.
120   *
121   * @param toWrap the clusterer to wrap around
122   */   
123  public MakeDensityBasedClusterer(Clusterer toWrap) {
124
125    setClusterer(toWrap);
126  }
127 
128  /**
129   * Returns a string describing classifier
130   * @return a description suitable for
131   * displaying in the explorer/experimenter gui
132   */
133  public String globalInfo() {
134    return 
135        "Class for wrapping a Clusterer to make it return a distribution "
136      + "and density. Fits normal distributions and discrete distributions "
137      + "within each cluster produced by the wrapped clusterer. Supports the "
138      + "NumberOfClustersRequestable interface only if the wrapped Clusterer "
139      + "does.";
140  }
141
142  /**
143   * String describing default clusterer.
144   *
145   * @return            the default clusterer classname
146   */
147  protected String defaultClustererString() {
148    return SimpleKMeans.class.getName();
149  }
150
151  /**
152   * Set the number of clusters to generate.
153   *
154   * @param n the number of clusters to generate
155   * @throws Exception if the wrapped clusterer has not been set, or if
156   * the wrapped clusterer does not implement this facility.
157   */
158  public void setNumClusters(int n) throws Exception {
159    if (m_wrappedClusterer == null) {
160      throw new Exception("Can't set the number of clusters to generate - "
161                          +"no clusterer has been set yet.");
162    }
163    if (!(m_wrappedClusterer instanceof NumberOfClustersRequestable)) {
164      throw new Exception("Can't set the number of clusters to generate - "
165                          +"wrapped clusterer does not support this facility.");
166    }
167
168    ((NumberOfClustersRequestable)m_wrappedClusterer).setNumClusters(n);
169  }
170
171  /**
172   * Returns default capabilities of the clusterer (i.e., of the wrapper
173   * clusterer).
174   *
175   * @return      the capabilities of this clusterer
176   */
177  public Capabilities getCapabilities() {
178    if (m_wrappedClusterer != null) {
179      return m_wrappedClusterer.getCapabilities();
180    }
181    Capabilities result = super.getCapabilities();
182    result.disableAll();
183    result.enable(Capability.NO_CLASS);
184   
185    return result;
186  }
187 
188  /**
189   * Builds a clusterer for a set of instances.
190   *
191   * @param data the instances to train the clusterer with
192   * @throws Exception if the clusterer hasn't been set or something goes wrong
193   */ 
194  public void buildClusterer(Instances data) throws Exception {
195    // can clusterer handle the data?
196    getCapabilities().testWithFail(data);
197
198    m_replaceMissing = new ReplaceMissingValues();
199    m_replaceMissing.setInputFormat(data);
200    data = weka.filters.Filter.useFilter(data, m_replaceMissing);
201
202    m_theInstances = new Instances(data, 0);
203    if (m_wrappedClusterer == null) {
204      throw new Exception("No clusterer has been set");
205    }
206    m_wrappedClusterer.buildClusterer(data);
207    m_model = 
208       new DiscreteEstimator[m_wrappedClusterer.numberOfClusters()][data.numAttributes()];
209    m_modelNormal = 
210      new double[m_wrappedClusterer.numberOfClusters()][data.numAttributes()][2];
211    double[][] weights =  new double[m_wrappedClusterer.numberOfClusters()][data.numAttributes()];
212    m_priors = new double[m_wrappedClusterer.numberOfClusters()]; 
213     for (int i = 0; i < m_wrappedClusterer.numberOfClusters(); i++) {
214       m_priors[i] = 1.0; // laplace correction
215       for (int j = 0; j < data.numAttributes(); j++) {
216         if (data.attribute(j).isNominal()) {
217           m_model[i][j] = new DiscreteEstimator(data.attribute(j).numValues(),
218                                                 true);
219         }
220       }
221     }
222     
223     Instance inst = null;
224
225     // Compute mean, etc.
226     int[] clusterIndex = new int[data.numInstances()];
227     for (int i = 0; i < data.numInstances(); i++) {
228       inst = data.instance(i);
229       int cluster = m_wrappedClusterer.clusterInstance(inst);
230       m_priors[cluster] += inst.weight();
231       for (int j = 0; j < data.numAttributes(); j++) {
232         if (!inst.isMissing(j)) {
233           if (data.attribute(j).isNominal()) {
234             m_model[cluster][j].addValue(inst.value(j),inst.weight());
235           } else {
236             m_modelNormal[cluster][j][0] += inst.weight() * inst.value(j);
237             weights[cluster][j] += inst.weight();
238           }
239         }
240       }
241       clusterIndex[i] = cluster;
242     }
243
244     for (int j = 0; j < data.numAttributes(); j++) {
245       if (data.attribute(j).isNumeric()) {
246         for (int i = 0; i < m_wrappedClusterer.numberOfClusters(); i++) {         
247           if (weights[i][j] > 0) {
248             m_modelNormal[i][j][0] /= weights[i][j];
249           }
250         }
251       }
252     }
253
254     // Compute standard deviations
255     for (int i = 0; i < data.numInstances(); i++) {
256       inst = data.instance(i);
257       for (int j = 0; j < data.numAttributes(); j++) {
258         if (!inst.isMissing(j)) {
259           if (data.attribute(j).isNumeric()) {
260             double diff = m_modelNormal[clusterIndex[i]][j][0] - inst.value(j);
261             m_modelNormal[clusterIndex[i]][j][1] += inst.weight() * diff * diff;
262           }
263         }
264       }
265     }
266
267     for (int j = 0; j < data.numAttributes(); j++) {
268       if (data.attribute(j).isNumeric()) {
269         for (int i = 0; i < m_wrappedClusterer.numberOfClusters(); i++) {         
270           if (weights[i][j] > 0) {
271             m_modelNormal[i][j][1] = 
272               Math.sqrt(m_modelNormal[i][j][1] / weights[i][j]);
273           } else if (weights[i][j] <= 0) {
274             m_modelNormal[i][j][1] = Double.MAX_VALUE;
275           }
276           if (m_modelNormal[i][j][1] <= m_minStdDev) {
277             m_modelNormal[i][j][1] = data.attributeStats(j).numericStats.stdDev;
278             if (m_modelNormal[i][j][1] <= m_minStdDev) {
279               m_modelNormal[i][j][1] = m_minStdDev;
280             }
281           }
282         }
283       }
284     }
285     
286     Utils.normalize(m_priors);
287  }
288
289  /**
290   * Returns the cluster priors.
291   *
292   * @return the cluster priors
293   */
294  public double[] clusterPriors() {
295
296    double[] n = new double[m_priors.length];
297 
298    System.arraycopy(m_priors, 0, n, 0, n.length);
299    return n;
300  }
301
302  /**
303   * Computes the log of the conditional density (per cluster) for a given instance.
304   *
305   * @param inst the instance to compute the density for
306   * @return an array containing the estimated densities
307   * @throws Exception if the density could not be computed
308   * successfully
309   */
310  public double[] logDensityPerClusterForInstance(Instance inst) throws Exception {
311
312    int i, j;
313    double logprob;
314    double[] wghts = new double[m_wrappedClusterer.numberOfClusters()];
315   
316    m_replaceMissing.input(inst);
317    inst = m_replaceMissing.output();
318
319    for (i = 0; i < m_wrappedClusterer.numberOfClusters(); i++) {
320      logprob = 0;
321      for (j = 0; j < inst.numAttributes(); j++) {
322        if (!inst.isMissing(j)) {
323          if (inst.attribute(j).isNominal()) {
324            logprob += Math.log(m_model[i][j].getProbability(inst.value(j)));
325          } else { // numeric attribute
326            logprob += logNormalDens(inst.value(j), 
327                                     m_modelNormal[i][j][0], 
328                                     m_modelNormal[i][j][1]);
329          }
330        }
331      }
332      wghts[i] = logprob;
333    }
334    return  wghts;
335  }
336
337  /** Constant for normal distribution. */
338  private static double m_normConst = 0.5 * Math.log(2 * Math.PI);
339
340  /**
341   * Density function of normal distribution.
342   * @param x input value
343   * @param mean mean of distribution
344   * @param stdDev standard deviation of distribution
345   * @return the density
346   */
347  private double logNormalDens (double x, double mean, double stdDev) {
348
349    double diff = x - mean;
350   
351    return - (diff * diff / (2 * stdDev * stdDev))  - m_normConst - Math.log(stdDev);
352  }
353 
354  /**
355   * Returns the number of clusters.
356   *
357   * @return the number of clusters generated for a training dataset.
358   * @throws Exception if number of clusters could not be returned successfully
359   */
360  public int numberOfClusters() throws Exception {
361
362    return m_wrappedClusterer.numberOfClusters();
363  }
364
365  /**
366   * Returns a description of the clusterer.
367   *
368   * @return a string containing a description of the clusterer
369   */
370  public String toString() {
371    if (m_priors == null) {
372      return "No clusterer built yet!";
373    }
374
375    StringBuffer text = new StringBuffer();
376    text.append("MakeDensityBasedClusterer: \n\nWrapped clusterer: " 
377                + m_wrappedClusterer.toString());
378
379    text.append("\nFitted estimators (with ML estimates of variance):\n");
380   
381    for (int j = 0; j < m_priors.length; j++) {
382      text.append("\nCluster: " + j + " Prior probability: " 
383                  + Utils.doubleToString(m_priors[j], 4) + "\n\n");
384     
385      for (int i = 0; i < m_model[0].length; i++) {
386        text.append("Attribute: " + m_theInstances.attribute(i).name() + "\n");
387       
388        if (m_theInstances.attribute(i).isNominal()) {
389          if (m_model[j][i] != null) {
390            text.append(m_model[j][i].toString());
391          }
392        }
393        else {
394          text.append("Normal Distribution. Mean = " 
395                      + Utils.doubleToString(m_modelNormal[j][i][0], 4) 
396                      + " StdDev = " 
397                      + Utils.doubleToString(m_modelNormal[j][i][1], 4) 
398                      + "\n");
399        }
400      }
401    }
402
403    return  text.toString();
404  }
405 
406  /**
407   * Returns the tip text for this property
408   * @return tip text for this property suitable for
409   * displaying in the explorer/experimenter gui
410   */
411  public String clustererTipText() {
412    return "the clusterer to wrap";
413  }
414
415  /**
416   * Sets the clusterer to wrap.
417   *
418   * @param toWrap the clusterer
419   */
420  public void setClusterer(Clusterer toWrap) {
421
422    m_wrappedClusterer = toWrap;
423  }
424
425  /**
426   * Gets the clusterer being wrapped.
427   *
428   * @return the clusterer
429   */
430  public Clusterer getClusterer() {
431
432    return m_wrappedClusterer;
433  }
434 
435  /**
436   * Returns the tip text for this property
437   * @return tip text for this property suitable for
438   * displaying in the explorer/experimenter gui
439   */
440  public String minStdDevTipText() {
441    return "set minimum allowable standard deviation";
442  }
443
444  /**
445   * Set the minimum value for standard deviation when calculating
446   * normal density. Reducing this value can help prevent arithmetic
447   * overflow resulting from multiplying large densities (arising from small
448   * standard deviations) when there are many singleton or near singleton
449   * values.
450   * @param m minimum value for standard deviation
451   */
452  public void setMinStdDev(double m) {
453    m_minStdDev = m;
454  }
455
456  /**
457   * Get the minimum allowable standard deviation.
458   * @return the minumum allowable standard deviation
459   */
460  public double getMinStdDev() {
461    return m_minStdDev;
462  }
463
464  /**
465   * Returns an enumeration describing the available options..
466   *
467   * @return an enumeration of all the available options.
468   */
469  public Enumeration listOptions() {
470    Vector result = new Vector();
471
472    result.addElement(new Option(
473        "\tminimum allowable standard deviation for normal density computation "
474        +"\n\t(default 1e-6)"
475        ,"M",1,"-M <num>"));
476       
477    result.addElement(new Option(
478        "\tClusterer to wrap.\n"
479        + "\t(default " + defaultClustererString() + ")",
480        "W", 1,"-W <clusterer name>"));
481
482    if ((m_wrappedClusterer != null) &&
483        (m_wrappedClusterer instanceof OptionHandler)) {
484      result.addElement(new Option(
485          "",
486          "", 0, "\nOptions specific to clusterer "
487          + m_wrappedClusterer.getClass().getName() + ":"));
488      Enumeration enu = ((OptionHandler)m_wrappedClusterer).listOptions();
489      while (enu.hasMoreElements()) {
490        result.addElement(enu.nextElement());
491      }
492    }
493   
494    return result.elements();
495  }
496
497  /**
498   * Parses a given list of options. <p/>
499   *
500   <!-- options-start -->
501   * Valid options are: <p/>
502   *
503   * <pre> -M &lt;num&gt;
504   *  minimum allowable standard deviation for normal density computation
505   *  (default 1e-6)</pre>
506   *
507   * <pre> -W &lt;clusterer name&gt;
508   *  Clusterer to wrap.
509   *  (default weka.clusterers.SimpleKMeans)</pre>
510   *
511   * <pre>
512   * Options specific to clusterer weka.clusterers.SimpleKMeans:
513   * </pre>
514   *
515   * <pre> -N &lt;num&gt;
516   *  number of clusters.
517   *  (default 2).</pre>
518   *
519   * <pre> -V
520   *  Display std. deviations for centroids.
521   * </pre>
522   *
523   * <pre> -M
524   *  Replace missing values with mean/mode.
525   * </pre>
526   *
527   * <pre> -S &lt;num&gt;
528   *  Random number seed.
529   *  (default 10)</pre>
530   *
531   <!-- options-end -->
532   *
533   * @param options the list of options as an array of strings
534   * @throws Exception if an option is not supported
535   */
536  public void setOptions(String[] options) throws Exception {
537
538    String optionString = Utils.getOption('M', options);
539    if (optionString.length() != 0)
540      setMinStdDev((new Double(optionString)).doubleValue());
541    else
542      setMinStdDev(1e-6);
543     
544    String wString = Utils.getOption('W', options);
545    if (wString.length() == 0)
546      wString = defaultClustererString();
547    setClusterer(AbstractClusterer.forName(wString, Utils.partitionOptions(options)));
548  }
549
550  /**
551   * Gets the current settings of the clusterer.
552   *
553   * @return an array of strings suitable for passing to setOptions()
554   */
555  public String[] getOptions() {
556
557    String [] clustererOptions = new String [0];
558    if ((m_wrappedClusterer != null) &&
559        (m_wrappedClusterer instanceof OptionHandler)) {
560      clustererOptions = ((OptionHandler)m_wrappedClusterer).getOptions();
561    }
562    String [] options = new String [clustererOptions.length + 5];
563    int current = 0;
564
565    options[current++] = "-M";
566    options[current++] = ""+getMinStdDev();
567
568    if (getClusterer() != null) {
569      options[current++] = "-W";
570      options[current++] = getClusterer().getClass().getName();
571    }
572    options[current++] = "--";
573
574    System.arraycopy(clustererOptions, 0, options, current, 
575                     clustererOptions.length);
576    current += clustererOptions.length;
577    while (current < options.length) {
578      options[current++] = "";
579    }
580    return options;
581  }
582 
583  /**
584   * Returns the revision string.
585   *
586   * @return            the revision
587   */
588  public String getRevision() {
589    return RevisionUtils.extract("$Revision: 5488 $");
590  }
591
592  /**
593   * Main method for testing this class.
594   *
595   * @param argv the options
596   */
597  public static void main(String [] argv) {
598    runClusterer(new MakeDensityBasedClusterer(), argv);
599  }
600}
601
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.