Минимизация ожиданий NE для пользовательского распределения в Mathematica
Это относится к более раннему вопросу, заданному еще в июне:
Расчет ожидания для пользовательского распределения в системе Mathematica
У меня есть пользовательское смешанное распределение, определенное с использованием второго пользовательского распределения, следующего за строками, обсужденными @Sasha в ряде ответов за последний год.
Код, определяющий распределения, следующий:
nDist /: CharacteristicFunction[nDist[a_, b_, m_, s_],
t_] := (a b E^(I m t - (s^2 t^2)/2))/((I a + t) (-I b + t));
nDist /: PDF[nDist[a_, b_, m_, s_], x_] := (1/(2*(a + b)))*a*
b*(E^(a*(m + (a*s^2)/2 - x))* Erfc[(m + a*s^2 - x)/(Sqrt[2]*s)] +
E^(b*(-m + (b*s^2)/2 + x))*
Erfc[(-m + b*s^2 + x)/(Sqrt[2]*s)]);
nDist /: CDF[nDist[a_, b_, m_, s_],
x_] := ((1/(2*(a + b)))*((a + b)*E^(a*x)*
Erfc[(m - x)/(Sqrt[2]*s)] -
b*E^(a*m + (a^2*s^2)/2)*Erfc[(m + a*s^2 - x)/(Sqrt[2]*s)] +
a*E^((-b)*m + (b^2*s^2)/2 + a*x + b*x)*
Erfc[(-m + b*s^2 + x)/(Sqrt[2]*s)]))/ E^(a*x);
nDist /: Quantile[nDist[a_, b_, m_, s_], p_] :=
Module[{x},
x /. FindRoot[CDF[nDist[a, b, m, s], x] == #, {x, m}] & /@ p] /;
VectorQ[p, 0 < # < 1 &]
nDist /: Quantile[nDist[a_, b_, m_, s_], p_] :=
Module[{x}, x /. FindRoot[CDF[nDist[a, b, m, s], x] == p, {x, m}]] /;
0 < p < 1
nDist /: Quantile[nDist[a_, b_, m_, s_], p_] := -Infinity /; p == 0
nDist /: Quantile[nDist[a_, b_, m_, s_], p_] := Infinity /; p == 1
nDist /: Mean[nDist[a_, b_, m_, s_]] := 1/a - 1/b + m;
nDist /: Variance[nDist[a_, b_, m_, s_]] := 1/a^2 + 1/b^2 + s^2;
nDist /: StandardDeviation[ nDist[a_, b_, m_, s_]] :=
Sqrt[ 1/a^2 + 1/b^2 + s^2];
nDist /: DistributionDomain[nDist[a_, b_, m_, s_]] :=
Interval[{0, Infinity}]
nDist /: DistributionParameterQ[nDist[a_, b_, m_, s_]] := !
TrueQ[Not[Element[{a, b, s, m}, Reals] && a > 0 && b > 0 && s > 0]]
nDist /: DistributionParameterAssumptions[nDist[a_, b_, m_, s_]] :=
Element[{a, b, s, m}, Reals] && a > 0 && b > 0 && s > 0
nDist /: Random`DistributionVector[nDist[a_, b_, m_, s_], n_, prec_] :=
RandomVariate[ExponentialDistribution[a], n,
WorkingPrecision -> prec] -
RandomVariate[ExponentialDistribution[b], n,
WorkingPrecision -> prec] +
RandomVariate[NormalDistribution[m, s], n,
WorkingPrecision -> prec];
(* Fitting: This uses Mean, central moments 2 and 3 and 4th cumulant \
but it often does not provide a solution *)
nDistParam[data_] := Module[{mn, vv, m3, k4, al, be, m, si},
mn = Mean[data];
vv = CentralMoment[data, 2];
m3 = CentralMoment[data, 3];
k4 = Cumulant[data, 4];
al =
ConditionalExpression[
Root[864 - 864 m3 #1^3 - 216 k4 #1^4 + 648 m3^2 #1^6 +
36 k4^2 #1^8 - 216 m3^3 #1^9 + (-2 k4^3 + 27 m3^4) #1^12 &,
2], k4 > Root[-27 m3^4 + 4 #1^3 &, 1]];
be = ConditionalExpression[
Root[2 Root[
864 - 864 m3 #1^3 - 216 k4 #1^4 + 648 m3^2 #1^6 +
36 k4^2 #1^8 -
216 m3^3 #1^9 + (-2 k4^3 + 27 m3^4) #1^12 &,
2]^3 + (-2 +
m3 Root[
864 - 864 m3 #1^3 - 216 k4 #1^4 + 648 m3^2 #1^6 +
36 k4^2 #1^8 -
216 m3^3 #1^9 + (-2 k4^3 + 27 m3^4) #1^12 &,
2]^3) #1^3 &, 1], k4 > Root[-27 m3^4 + 4 #1^3 &, 1]];
m = mn - 1/al + 1/be;
si =
Sqrt[Abs[-al^-2 - be^-2 + vv ]];(*Ensure positive*)
{al,
be, m, si}];
nDistLL =
Compile[{a, b, m, s, {x, _Real, 1}},
Total[Log[
1/(2 (a +
b)) a b (E^(a (m + (a s^2)/2 - x)) Erfc[(m + a s^2 -
x)/(Sqrt[2] s)] +
E^(b (-m + (b s^2)/2 + x)) Erfc[(-m + b s^2 +
x)/(Sqrt[2] s)])]](*, CompilationTarget->"C",
RuntimeAttributes->{Listable}, Parallelization->True*)];
nlloglike[data_, a_?NumericQ, b_?NumericQ, m_?NumericQ, s_?NumericQ] :=
nDistLL[a, b, m, s, data];
nFit[data_] := Module[{a, b, m, s, a0, b0, m0, s0, res},
(* So far have not found a good way to quickly estimate a and \
b. Starting assumption is that they both = 2,then m0 ~=
Mean and s0 ~=
StandardDeviation it seems to work better if a and b are not the \
same at start. *)
{a0, b0, m0, s0} = nDistParam[data];(*may give Undefined values*)
If[! (VectorQ[{a0, b0, m0, s0}, NumericQ] &&
VectorQ[{a0, b0, s0}, # > 0 &]),
m0 = Mean[data];
s0 = StandardDeviation[data];
a0 = 1;
b0 = 2;];
res = {a, b, m, s} /.
FindMaximum[
nlloglike[data, Abs[a], Abs[b], m,
Abs[s]], {{a, a0}, {b, b0}, {m, m0}, {s, s0}},
Method -> "PrincipalAxis"][[2]];
{Abs[res[[1]]], Abs[res[[2]]], res[[3]], Abs[res[[4]]]}];
nFit[data_, {a0_, b0_, m0_, s0_}] := Module[{a, b, m, s, res},
res = {a, b, m, s} /.
FindMaximum[
nlloglike[data, Abs[a], Abs[b], m,
Abs[s]], {{a, a0}, {b, b0}, {m, m0}, {s, s0}},
Method -> "PrincipalAxis"][[2]];
{Abs[res[[1]]], Abs[res[[2]]], res[[3]], Abs[res[[4]]]}];
dDist /: PDF[dDist[a_, b_, m_, s_], x_] :=
PDF[nDist[a, b, m, s], Log[x]]/x;
dDist /: CDF[dDist[a_, b_, m_, s_], x_] :=
CDF[nDist[a, b, m, s], Log[x]];
dDist /: EstimatedDistribution[data_, dDist[a_, b_, m_, s_]] :=
dDist[Sequence @@ nFit[Log[data]]];
dDist /: EstimatedDistribution[data_,
dDist[a_, b_, m_,
s_], {{a_, a0_}, {b_, b0_}, {m_, m0_}, {s_, s0_}}] :=
dDist[Sequence @@ nFit[Log[data], {a0, b0, m0, s0}]];
dDist /: Quantile[dDist[a_, b_, m_, s_], p_] :=
Module[{x}, x /. FindRoot[CDF[dDist[a, b, m, s], x] == p, {x, s}]] /;
0 < p < 1
dDist /: Quantile[dDist[a_, b_, m_, s_], p_] :=
Module[{x},
x /. FindRoot[ CDF[dDist[a, b, m, s], x] == #, {x, s}] & /@ p] /;
VectorQ[p, 0 < # < 1 &]
dDist /: Quantile[dDist[a_, b_, m_, s_], p_] := -Infinity /; p == 0
dDist /: Quantile[dDist[a_, b_, m_, s_], p_] := Infinity /; p == 1
dDist /: DistributionDomain[dDist[a_, b_, m_, s_]] :=
Interval[{0, Infinity}]
dDist /: DistributionParameterQ[dDist[a_, b_, m_, s_]] := !
TrueQ[Not[Element[{a, b, s, m}, Reals] && a > 0 && b > 0 && s > 0]]
dDist /: DistributionParameterAssumptions[dDist[a_, b_, m_, s_]] :=
Element[{a, b, s, m}, Reals] && a > 0 && b > 0 && s > 0
dDist /: Random`DistributionVector[dDist[a_, b_, m_, s_], n_, prec_] :=
Exp[RandomVariate[ExponentialDistribution[a], n,
WorkingPrecision -> prec] -
RandomVariate[ExponentialDistribution[b], n,
WorkingPrecision -> prec] +
RandomVariate[NormalDistribution[m, s], n,
WorkingPrecision -> prec]];
Это позволяет мне подогнать параметры распределения и сгенерировать PDF и CDF . Пример графиков:
Plot[PDF[dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40], x], {x, 0, .3},
PlotRange -> All]
Plot[CDF[dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40], x], {x, 0, .3},
PlotRange -> All]
Теперь я определил функцию для вычисления среднего остаточного ресурса (см. этот вопрос для объяснения).
MeanResidualLife[start_, dist_] :=
NExpectation[X \[Conditioned] X > start, X \[Distributed] dist] -
start
MeanResidualLife[start_, limit_, dist_] :=
NExpectation[X \[Conditioned] start <= X <= limit,
X \[Distributed] dist] - start
Первый из них не устанавливает пределов, так как второй требует много времени для вычисления, но они оба работают.
Теперь мне нужно найти минимум функции MeanResidualLife для того же распределения (или его разновидности) или минимизировать его.
Я пробовал несколько вариантов этого:
FindMinimum[MeanResidualLife[x, dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40]], x]
FindMinimum[MeanResidualLife[x, 1, dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40]], x]
NMinimize[{MeanResidualLife[x, dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40]],
0 <= x <= 1}, x]
NMinimize[{MeanResidualLife[x, 1, dDist[3.77, 1.34, -2.65, 0.40]], 0 <= x <= 1}, x]
Они либо кажутся вечными, либо наталкиваются на:
Power :: infy: Встречается бесконечное выражение 1/0.>>
Функция MeanResidualLife , примененная к более простому, но похожему по форме дистрибутиву, показывает, что у него есть единственный минимум:
Plot[PDF[LogNormalDistribution[1.75, 0.65], x], {x, 0, 30},
PlotRange -> All]
Plot[MeanResidualLife[x, LogNormalDistribution[1.75, 0.65]], {x, 0,
30},
PlotRange -> {{0, 30}, {4.5, 8}}]
Также оба:
FindMinimum[MeanResidualLife[x, LogNormalDistribution[1.75, 0.65]], x]
FindMinimum[MeanResidualLife[x, 30, LogNormalDistribution[1.75, 0.65]], x]
дайте мне ответы (если сначала с кучей сообщений ) при использовании с LogNormalDistribution .
Есть какие-нибудь мысли о том, как заставить это работать для описанного выше пользовательского дистрибутива?
Нужно ли мне добавлять ограничения или параметры?
Нужно ли мне определять что-то еще в определениях пользовательских дистрибутивов?
Может быть, FindMinimum или NMinimize просто нужно работать дольше (я запускал их почти час безрезультатно). Если да, то мне просто нужен способ ускорить поиск минимума функции? Есть предложения, как это сделать?
Есть ли у Mathematica другой способ сделать это?
Добавлено 9 февраля, 17:50 EST:
Кто угодно может скачать презентацию Александра Павлика о создание дистрибутивов в Mathematica из семинара Wolfram Technology Conference 2011 «Создайте свой собственный дистрибутив» здесь . Загрузки включают записную книжку 'ExampleOfParametricDistribution.nb' , в которой, кажется, изложены все элементы, необходимые для создания дистрибутива, который можно использовать как дистрибутивы, поставляемые с Mathematica.
Это может дать ответ.