Minimizando o NExpectation para uma distribuição personalizada no Mathematica

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Isso se refere a uma pergunta anterior de junho:

Calculando a expectativa de uma distribuição personalizada no Mathematica

Eu tenho uma distribuição mista personalizada definida usando uma segunda distribuição personalizada seguindo as linhas discutidas @Sashaem várias respostas ao longo do ano passado.

Código que define as distribuições a seguir:

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]];

Isso me permite ajustar parâmetros de distribuição e gerar PDFs e CDFs . Um exemplo das parcelas:

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]

insira a descrição da imagem aqui

Agora eu defini a functionpara calcular a vida útil média (veja esta pergunta para uma explicação).

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

O primeiro deles que não define um limite, como no segundo, leva muito tempo para calcular, mas ambos funcionam.

Agora, preciso encontrar o mínimo da MeanResidualLifefunção para a mesma distribuição (ou alguma variação dela) ou minimizá-la.

Eu tentei várias variações sobre isso:

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]

Eles parecem durar para sempre ou se deparar com:

Power :: infy: Expressão infinita 1 / 0. encontrada. >>

A MeanResidualLifefunção aplicada a uma distribuição mais simples, mas de forma semelhante, mostra que ela possui um único mínimo:

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}}]

insira a descrição da imagem aqui

Também ambos:

FindMinimum[MeanResidualLife[x, LogNormalDistribution[1.75, 0.65]], x]
FindMinimum[MeanResidualLife[x, 30, LogNormalDistribution[1.75, 0.65]], x]

me dê respostas (se com um monte de mensagens primeiro) quando usado com o LogNormalDistribution.

Alguma idéia de como fazer isso funcionar para a distribuição personalizada descrita acima?

Preciso adicionar restrições ou opções?

Preciso definir outra coisa nas definições das distribuições personalizadas?

Talvez o FindMinimumou NMinimizeapenas precise executar por mais tempo (eu os executei quase uma hora sem sucesso). Em caso afirmativo, só preciso de uma maneira de acelerar a localização do mínimo da função? Alguma sugestão de como?

Tem Mathematicaoutra maneira de fazer isso?

Adicionado 9 fev 17:50 EST:

Qualquer um pode fazer o download da apresentação de Oleksandr Pavlyk sobre a criação de distribuições no Mathematica no workshop 'Crie sua própria distribuição' da Wolfram Technology Conference 2011 aqui . Os downloads incluem o notebook, 'ExampleOfParametricDistribution.nb'que parece apresentar todas as peças necessárias para criar uma distribuição que pode ser usada como as distribuições que acompanham o Mathematica.

Pode fornecer algumas das respostas.

plot wolfram-mathematica probability calculus mathematica-8 Jagra
fonte
9
Não sou especialista em Mathematica, mas já encontrei problemas semelhantes em outros lugares. Parece que você está tendo problemas quando o seu domínio começa em 0. Tente começar em 0.1 ou mais e veja o que acontece.
Makketronix
7
@ Makketronix - Obrigado por isso. Sincronicidade engraçada, já que comecei a revisitar isso depois de três anos.
Jagra
8
Não sei se posso ajudá-lo, mas você pode tentar perguntar no fluxo de pilha específico do Mathematica . Boa sorte!
Olivia Stork
4
Você tentou: reference.wolfram.com/language/ref/Expectation.html ?
Cplusplusplus
1
Há muitos artigos sobre isso no zbmath.org Procure por expectativas
Ivan V

Respostas:

11

Até onde eu vejo, o problema é (como você já escreveu), que MeanResidualLifeleva muito tempo para computar, mesmo para uma única avaliação. Agora, as FindMinimumfunções ou similares tentam encontrar um mínimo para a função. Para encontrar um mínimo, é necessário definir a primeira derivada da função zero e resolver uma solução. Como sua função é bastante complicada (e provavelmente não diferenciável), a segunda possibilidade é fazer uma minimização numérica, o que exige muitas avaliações de sua função. Portanto, é muito, muito lento.

Eu sugiro experimentá-lo sem a magia do Mathematica.

Primeiro vamos ver o que MeanResidualLifeé, como você definiu. NExpectationou Expectationcalcule o valor esperado . Para o valor esperado, precisamos apenas PDFda sua distribuição. Vamos extraí-lo da sua definição acima em funções simples:

pdf[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)])
pdf2[a_, b_, m_, s_, x_] := pdf[a, b, m, s, Log[x]]/x;

Se traçarmos o pdf2, será exatamente igual ao seu gráfico

Plot[pdf2[3.77, 1.34, -2.65, 0.40, x], {x, 0, .3}]

Gráfico de PDF

Agora, para o valor esperado. Se eu entendi corretamente, temos de integrar x * pdf[x]a partir -infde +infum valor esperado normal.

x * pdf[x] parece

Plot[pdf2[3.77, 1.34, -2.65, 0.40, x]*x, {x, 0, .3}, PlotRange -> All]

Gráfico de x * PDF

e o valor esperado é

NIntegrate[pdf2[3.77, 1.34, -2.65, 0.40, x]*x, {x, 0, \[Infinity]}]
Out= 0.0596504

Mas desde que você deseja que o valor esperado entre um starte +infprecisamos integrar neste intervalo, e desde o PDF, em seguida, mais não integra a 1 neste intervalo menor, eu acho que nós temos para normalizar o resultado ser dividindo pelo integrante do PDF em esse intervalo. Portanto, meu palpite para o valor esperado à esquerda é

expVal[start_] := 
    NIntegrate[pdf2[3.77, 1.34, -2.65, 0.40, x]*x, {x, start, \[Infinity]}]/
    NIntegrate[pdf2[3.77, 1.34, -2.65, 0.40, x], {x, start, \[Infinity]}]

E para MeanResidualLifevocê subtrair start, dando

MRL[start_] := expVal[start] - start

Que traça como

Plot[MRL[start], {start, 0, 0.3}, PlotRange -> {0, All}]

Trama da Vida Residual Média

Parece plausível, mas não sou especialista. Então, finalmente, queremos minimizá-lo, ou seja, encontrar o valor startmínimo para essa função. O mínimo parece estar em torno de 0,05, mas vamos encontrar um valor mais exato a partir desse palpite.

FindMinimum[MRL[start], {start, 0.05}]

e após alguns erros (sua função não está definida abaixo de 0, acho que o minimizador cutuca um pouco nessa região proibida) obtemos

{0,0418137, {start -> 0,0584312}}

Portanto, o ideal deve ter start = 0.0584312uma vida útil média de 0.0418137.

Não sei se isso está correto, mas parece plausível.

azt
fonte
+1 - Acabei de ver isso, então precisarei trabalhar com isso, mas acho que a maneira como você dividiu o problema em etapas solucionáveis ​​faz muito sentido. Além disso, a plotagem da sua função MRL certamente parece certa. Muito obrigado, voltarei a isso assim que tiver tempo para estudar sua resposta.
Jagra 28/08