feat: adds e-SVR
This commit is contained in:
@@ -88,5 +88,7 @@ pub mod model_selection;
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|||||||
/// Supervised neighbors-based learning methods
|
/// Supervised neighbors-based learning methods
|
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pub mod neighbors;
|
pub mod neighbors;
|
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pub(crate) mod optimization;
|
pub(crate) mod optimization;
|
||||||
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/// Support Vector Machines
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pub mod svm;
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/// Supervised tree-based learning methods
|
/// Supervised tree-based learning methods
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pub mod tree;
|
pub mod tree;
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@@ -85,6 +85,12 @@ pub trait BaseVector<T: RealNumber>: Clone + Debug {
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||||||
/// Create new vector of size `len` where each element is set to `value`.
|
/// Create new vector of size `len` where each element is set to `value`.
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fn fill(len: usize, value: T) -> Self;
|
fn fill(len: usize, value: T) -> Self;
|
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/// Vector dot product
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fn dot(&self, other: &Self) -> T;
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/// Returns True if matrices are element-wise equal within a tolerance `error`.
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fn approximate_eq(&self, other: &Self, error: T) -> bool;
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}
|
}
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/// Generic matrix type.
|
/// Generic matrix type.
|
||||||
@@ -110,6 +116,10 @@ pub trait BaseMatrix<T: RealNumber>: Clone + Debug {
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|||||||
/// * `row` - row number
|
/// * `row` - row number
|
||||||
fn get_row_as_vec(&self, row: usize) -> Vec<T>;
|
fn get_row_as_vec(&self, row: usize) -> Vec<T>;
|
||||||
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|
||||||
|
/// Get the `row`'th row
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/// * `row` - row number
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fn get_row(&self, row: usize) -> Self::RowVector;
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||||||
/// Copies a vector with elements of the `row`'th row into `result`
|
/// Copies a vector with elements of the `row`'th row into `result`
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/// * `row` - row number
|
/// * `row` - row number
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||||||
/// * `result` - receiver for the row
|
/// * `result` - receiver for the row
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@@ -44,6 +44,32 @@ impl<T: RealNumber> BaseVector<T> for Vec<T> {
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fn fill(len: usize, value: T) -> Self {
|
fn fill(len: usize, value: T) -> Self {
|
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vec![value; len]
|
vec![value; len]
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
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|
fn dot(&self, other: &Self) -> T {
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||||||
|
if self.len() != other.len() {
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|
panic!("A and B should have the same size");
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|
}
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let mut result = T::zero();
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||||||
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for i in 0..self.len() {
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result = result + self[i] * other[i];
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|
}
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|
result
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||||||
|
}
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|
fn approximate_eq(&self, other: &Self, error: T) -> bool {
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|
if self.len() != other.len() {
|
||||||
|
false
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
for i in 0..other.len() {
|
||||||
|
if (self[i] - other[i]).abs() > error {
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||||||
|
return false;
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||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
true
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
}
|
}
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||||||
/// Column-major, dense matrix. See [Simple Dense Matrix](../index.html).
|
/// Column-major, dense matrix. See [Simple Dense Matrix](../index.html).
|
||||||
@@ -371,6 +397,16 @@ impl<T: RealNumber> BaseMatrix<T> for DenseMatrix<T> {
|
|||||||
self.values[col * self.nrows + row]
|
self.values[col * self.nrows + row]
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn get_row(&self, row: usize) -> Self::RowVector {
|
||||||
|
let mut v = vec![T::zero(); self.ncols];
|
||||||
|
|
||||||
|
for c in 0..self.ncols {
|
||||||
|
v[c] = self.get(row, c);
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||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
v
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
fn get_row_as_vec(&self, row: usize) -> Vec<T> {
|
fn get_row_as_vec(&self, row: usize) -> Vec<T> {
|
||||||
let mut result = vec![T::zero(); self.ncols];
|
let mut result = vec![T::zero(); self.ncols];
|
||||||
for c in 0..self.ncols {
|
for c in 0..self.ncols {
|
||||||
@@ -865,6 +901,21 @@ impl<T: RealNumber> BaseMatrix<T> for DenseMatrix<T> {
|
|||||||
mod tests {
|
mod tests {
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||||||
use super::*;
|
use super::*;
|
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|
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#[test]
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||||||
|
fn vec_dot() {
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||||||
|
let v1 = vec![1., 2., 3.];
|
||||||
|
let v2 = vec![4., 5., 6.];
|
||||||
|
assert_eq!(32.0, BaseVector::dot(&v1, &v2));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
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||||||
|
#[test]
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||||||
|
fn vec_approximate_eq() {
|
||||||
|
let a = vec![1., 2., 3.];
|
||||||
|
let b = vec![1. + 1e-5, 2. + 2e-5, 3. + 3e-5];
|
||||||
|
assert!(a.approximate_eq(&b, 1e-4));
|
||||||
|
assert!(!a.approximate_eq(&b, 1e-5));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn from_array() {
|
fn from_array() {
|
||||||
let vec = [1., 2., 3., 4., 5., 6.];
|
let vec = [1., 2., 3., 4., 5., 6.];
|
||||||
@@ -939,6 +990,12 @@ mod tests {
|
|||||||
assert_eq!(result, expected);
|
assert_eq!(result, expected);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn get_row() {
|
||||||
|
let a = DenseMatrix::from_2d_array(&[&[1., 2., 3.], &[4., 5., 6.], &[7., 8., 9.]]);
|
||||||
|
assert_eq!(vec![4., 5., 6.], a.get_row(1));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn matmul() {
|
fn matmul() {
|
||||||
let a = DenseMatrix::from_2d_array(&[&[1., 2., 3.], &[4., 5., 6.]]);
|
let a = DenseMatrix::from_2d_array(&[&[1., 2., 3.], &[4., 5., 6.]]);
|
||||||
|
|||||||
@@ -79,6 +79,20 @@ impl<T: RealNumber + 'static> BaseVector<T> for MatrixMN<T, U1, Dynamic> {
|
|||||||
m.fill(value);
|
m.fill(value);
|
||||||
m
|
m
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn dot(&self, other: &Self) -> T {
|
||||||
|
self.dot(other)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn approximate_eq(&self, other: &Self, error: T) -> bool {
|
||||||
|
if self.shape() != other.shape() {
|
||||||
|
false
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
self.iter()
|
||||||
|
.zip(other.iter())
|
||||||
|
.all(|(a, b)| (*a - *b).abs() <= error)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
impl<T: RealNumber + Scalar + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum + 'static>
|
impl<T: RealNumber + Scalar + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum + 'static>
|
||||||
@@ -102,6 +116,10 @@ impl<T: RealNumber + Scalar + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Su
|
|||||||
self.row(row).iter().map(|v| *v).collect()
|
self.row(row).iter().map(|v| *v).collect()
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn get_row(&self, row: usize) -> Self::RowVector {
|
||||||
|
self.row(row).into_owned()
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
fn copy_row_as_vec(&self, row: usize, result: &mut Vec<T>) {
|
fn copy_row_as_vec(&self, row: usize, result: &mut Vec<T>) {
|
||||||
let mut r = 0;
|
let mut r = 0;
|
||||||
for e in self.row(row).iter() {
|
for e in self.row(row).iter() {
|
||||||
@@ -486,6 +504,21 @@ mod tests {
|
|||||||
assert_eq!(twos, RowDVector::from_vec(vec![2., 2., 2.]));
|
assert_eq!(twos, RowDVector::from_vec(vec![2., 2., 2.]));
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn vec_dot() {
|
||||||
|
let v1 = RowDVector::from_vec(vec![1., 2., 3.]);
|
||||||
|
let v2 = RowDVector::from_vec(vec![4., 5., 6.]);
|
||||||
|
assert_eq!(32.0, BaseVector::dot(&v1, &v2));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn vec_approximate_eq() {
|
||||||
|
let a = RowDVector::from_vec(vec![1., 2., 3.]);
|
||||||
|
let noise = RowDVector::from_vec(vec![1e-5, 2e-5, 3e-5]);
|
||||||
|
assert!(a.approximate_eq(&(&noise + &a), 1e-4));
|
||||||
|
assert!(!a.approximate_eq(&(&noise + &a), 1e-5));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn get_set_dynamic() {
|
fn get_set_dynamic() {
|
||||||
let mut m = DMatrix::from_row_slice(2, 3, &[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0]);
|
let mut m = DMatrix::from_row_slice(2, 3, &[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0]);
|
||||||
@@ -579,6 +612,12 @@ mod tests {
|
|||||||
assert_eq!(m.get_col_as_vec(1), vec!(2., 5., 8.));
|
assert_eq!(m.get_col_as_vec(1), vec!(2., 5., 8.));
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn get_row() {
|
||||||
|
let a = DMatrix::from_row_slice(3, 3, &[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0]);
|
||||||
|
assert_eq!(RowDVector::from_vec(vec![4., 5., 6.]), a.get_row(1));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn copy_row_col_as_vec() {
|
fn copy_row_col_as_vec() {
|
||||||
let m = DMatrix::from_row_slice(3, 3, &[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0]);
|
let m = DMatrix::from_row_slice(3, 3, &[1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0]);
|
||||||
|
|||||||
@@ -57,7 +57,7 @@ use crate::linalg::Matrix;
|
|||||||
use crate::linalg::{BaseMatrix, BaseVector};
|
use crate::linalg::{BaseMatrix, BaseVector};
|
||||||
use crate::math::num::RealNumber;
|
use crate::math::num::RealNumber;
|
||||||
|
|
||||||
impl<T: RealNumber> BaseVector<T> for ArrayBase<OwnedRepr<T>, Ix1> {
|
impl<T: RealNumber + ScalarOperand> BaseVector<T> for ArrayBase<OwnedRepr<T>, Ix1> {
|
||||||
fn get(&self, i: usize) -> T {
|
fn get(&self, i: usize) -> T {
|
||||||
self[i]
|
self[i]
|
||||||
}
|
}
|
||||||
@@ -84,6 +84,14 @@ impl<T: RealNumber> BaseVector<T> for ArrayBase<OwnedRepr<T>, Ix1> {
|
|||||||
fn fill(len: usize, value: T) -> Self {
|
fn fill(len: usize, value: T) -> Self {
|
||||||
Array::from_elem(len, value)
|
Array::from_elem(len, value)
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn dot(&self, other: &Self) -> T {
|
||||||
|
self.dot(other)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn approximate_eq(&self, other: &Self, error: T) -> bool {
|
||||||
|
(self - other).iter().all(|v| v.abs() <= error)
|
||||||
|
}
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
impl<T: RealNumber + ScalarOperand + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum>
|
impl<T: RealNumber + ScalarOperand + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum>
|
||||||
@@ -109,6 +117,10 @@ impl<T: RealNumber + ScalarOperand + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssi
|
|||||||
self.row(row).to_vec()
|
self.row(row).to_vec()
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn get_row(&self, row: usize) -> Self::RowVector {
|
||||||
|
self.row(row).to_owned()
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
fn copy_row_as_vec(&self, row: usize, result: &mut Vec<T>) {
|
fn copy_row_as_vec(&self, row: usize, result: &mut Vec<T>) {
|
||||||
let mut r = 0;
|
let mut r = 0;
|
||||||
for e in self.row(row).iter() {
|
for e in self.row(row).iter() {
|
||||||
@@ -437,6 +449,21 @@ mod tests {
|
|||||||
assert_eq!(vec![1., 2., 3.], v.to_vec());
|
assert_eq!(vec![1., 2., 3.], v.to_vec());
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn vec_dot() {
|
||||||
|
let v1 = arr1(&[1., 2., 3.]);
|
||||||
|
let v2 = arr1(&[4., 5., 6.]);
|
||||||
|
assert_eq!(32.0, BaseVector::dot(&v1, &v2));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn vec_approximate_eq() {
|
||||||
|
let a = arr1(&[1., 2., 3.]);
|
||||||
|
let noise = arr1(&[1e-5, 2e-5, 3e-5]);
|
||||||
|
assert!(a.approximate_eq(&(&noise + &a), 1e-4));
|
||||||
|
assert!(!a.approximate_eq(&(&noise + &a), 1e-5));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn from_to_row_vec() {
|
fn from_to_row_vec() {
|
||||||
let vec = arr1(&[1., 2., 3.]);
|
let vec = arr1(&[1., 2., 3.]);
|
||||||
@@ -678,6 +705,12 @@ mod tests {
|
|||||||
assert_eq!(res, vec![4., 5., 6.]);
|
assert_eq!(res, vec![4., 5., 6.]);
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn get_row() {
|
||||||
|
let a = arr2(&[[1., 2., 3.], [4., 5., 6.], [7., 8., 9.]]);
|
||||||
|
assert_eq!(arr1(&[4., 5., 6.]), a.get_row(1));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
#[test]
|
#[test]
|
||||||
fn get_col_as_vector() {
|
fn get_col_as_vector() {
|
||||||
let a = arr2(&[[1., 2., 3.], [4., 5., 6.], [7., 8., 9.]]);
|
let a = arr2(&[[1., 2., 3.], [4., 5., 6.], [7., 8., 9.]]);
|
||||||
|
|||||||
+14
-1
@@ -6,10 +6,23 @@ use num_traits::{Float, FromPrimitive};
|
|||||||
use rand::prelude::*;
|
use rand::prelude::*;
|
||||||
use std::fmt::{Debug, Display};
|
use std::fmt::{Debug, Display};
|
||||||
use std::iter::{Product, Sum};
|
use std::iter::{Product, Sum};
|
||||||
|
use std::ops::{AddAssign, DivAssign, MulAssign, SubAssign};
|
||||||
|
|
||||||
/// Defines real number
|
/// Defines real number
|
||||||
/// <script type="text/javascript" src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.0/MathJax.js?config=TeX-AMS_CHTML"></script>
|
/// <script type="text/javascript" src="https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/mathjax/2.7.0/MathJax.js?config=TeX-AMS_CHTML"></script>
|
||||||
pub trait RealNumber: Float + FromPrimitive + Debug + Display + Copy + Sum + Product {
|
pub trait RealNumber:
|
||||||
|
Float
|
||||||
|
+ FromPrimitive
|
||||||
|
+ Debug
|
||||||
|
+ Display
|
||||||
|
+ Copy
|
||||||
|
+ Sum
|
||||||
|
+ Product
|
||||||
|
+ AddAssign
|
||||||
|
+ SubAssign
|
||||||
|
+ MulAssign
|
||||||
|
+ DivAssign
|
||||||
|
{
|
||||||
/// Copy sign from `sign` - another real number
|
/// Copy sign from `sign` - another real number
|
||||||
fn copysign(self, sign: Self) -> Self;
|
fn copysign(self, sign: Self) -> Self;
|
||||||
|
|
||||||
|
|||||||
@@ -0,0 +1,25 @@
|
|||||||
|
//! # Support Vector Machines
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
|
||||||
|
pub mod svr;
|
||||||
|
|
||||||
|
use serde::{Deserialize, Serialize};
|
||||||
|
|
||||||
|
use crate::linalg::BaseVector;
|
||||||
|
use crate::math::num::RealNumber;
|
||||||
|
|
||||||
|
/// Kernel
|
||||||
|
pub trait Kernel<T: RealNumber, V: BaseVector<T>> {
|
||||||
|
/// Apply kernel function to x_i and x_j
|
||||||
|
fn apply(&self, x_i: &V, x_j: &V) -> T;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
/// Linear Kernel
|
||||||
|
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
|
||||||
|
pub struct LinearKernel {}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: RealNumber, V: BaseVector<T>> Kernel<T, V> for LinearKernel {
|
||||||
|
fn apply(&self, x_i: &V, x_j: &V) -> T {
|
||||||
|
x_i.dot(x_j)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
+538
@@ -0,0 +1,538 @@
|
|||||||
|
//! # Epsilon-Support Vector Regression.
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! Example
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! ```
|
||||||
|
//! use smartcore::linalg::naive::dense_matrix::*;
|
||||||
|
//! use smartcore::linear::linear_regression::*;
|
||||||
|
//! use smartcore::svm::*;
|
||||||
|
//! use smartcore::svm::svr::{SVR, SVRParameters};
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! // Longley dataset (https://www.statsmodels.org/stable/datasets/generated/longley.html)
|
||||||
|
//! let x = DenseMatrix::from_2d_array(&[
|
||||||
|
//! &[234.289, 235.6, 159.0, 107.608, 1947., 60.323],
|
||||||
|
//! &[259.426, 232.5, 145.6, 108.632, 1948., 61.122],
|
||||||
|
//! &[258.054, 368.2, 161.6, 109.773, 1949., 60.171],
|
||||||
|
//! &[284.599, 335.1, 165.0, 110.929, 1950., 61.187],
|
||||||
|
//! &[328.975, 209.9, 309.9, 112.075, 1951., 63.221],
|
||||||
|
//! &[346.999, 193.2, 359.4, 113.270, 1952., 63.639],
|
||||||
|
//! &[365.385, 187.0, 354.7, 115.094, 1953., 64.989],
|
||||||
|
//! &[363.112, 357.8, 335.0, 116.219, 1954., 63.761],
|
||||||
|
//! &[397.469, 290.4, 304.8, 117.388, 1955., 66.019],
|
||||||
|
//! &[419.180, 282.2, 285.7, 118.734, 1956., 67.857],
|
||||||
|
//! &[442.769, 293.6, 279.8, 120.445, 1957., 68.169],
|
||||||
|
//! &[444.546, 468.1, 263.7, 121.950, 1958., 66.513],
|
||||||
|
//! &[482.704, 381.3, 255.2, 123.366, 1959., 68.655],
|
||||||
|
//! &[502.601, 393.1, 251.4, 125.368, 1960., 69.564],
|
||||||
|
//! &[518.173, 480.6, 257.2, 127.852, 1961., 69.331],
|
||||||
|
//! &[554.894, 400.7, 282.7, 130.081, 1962., 70.551],
|
||||||
|
//! ]);
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! let y: Vec<f64> = vec![83.0, 88.5, 88.2, 89.5, 96.2, 98.1, 99.0,
|
||||||
|
//! 100.0, 101.2, 104.6, 108.4, 110.8, 112.6, 114.2, 115.7, 116.9];
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! let svr = SVR::fit(&x, &y,
|
||||||
|
//! LinearKernel {},
|
||||||
|
//! SVRParameters {
|
||||||
|
//! eps: 2.0,
|
||||||
|
//! c: 10.0,
|
||||||
|
//! tol: 1e-3,
|
||||||
|
//! }).unwrap();
|
||||||
|
//!
|
||||||
|
//! let y_hat = svr.predict(&x).unwrap();
|
||||||
|
//! ```
|
||||||
|
use std::cell::{Ref, RefCell};
|
||||||
|
use std::fmt::Debug;
|
||||||
|
|
||||||
|
use serde::{Deserialize, Serialize};
|
||||||
|
|
||||||
|
use crate::error::Failed;
|
||||||
|
use crate::linalg::BaseVector;
|
||||||
|
use crate::linalg::Matrix;
|
||||||
|
use crate::math::num::RealNumber;
|
||||||
|
use crate::svm::Kernel;
|
||||||
|
|
||||||
|
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
|
||||||
|
|
||||||
|
/// SVR Parameters
|
||||||
|
pub struct SVRParameters<T: RealNumber> {
|
||||||
|
/// Epsilon in the epsilon-SVR model
|
||||||
|
pub eps: T,
|
||||||
|
/// Regularization parameter.
|
||||||
|
pub c: T,
|
||||||
|
/// Tolerance for stopping criterion
|
||||||
|
pub tol: T,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
|
||||||
|
#[serde(bound(
|
||||||
|
serialize = "M::RowVector: Serialize, K: Serialize, T: Serialize",
|
||||||
|
deserialize = "M::RowVector: Deserialize<'de>, K: Deserialize<'de>, T: Deserialize<'de>",
|
||||||
|
))]
|
||||||
|
|
||||||
|
/// Epsilon-Support Vector Regression
|
||||||
|
pub struct SVR<T: RealNumber, M: Matrix<T>, K: Kernel<T, M::RowVector>> {
|
||||||
|
kernel: K,
|
||||||
|
instances: Vec<M::RowVector>,
|
||||||
|
w: Vec<T>,
|
||||||
|
b: T,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
|
||||||
|
struct SupportVector<T: RealNumber, V: BaseVector<T>> {
|
||||||
|
index: usize,
|
||||||
|
x: V,
|
||||||
|
alpha: [T; 2],
|
||||||
|
grad: [T; 2],
|
||||||
|
k: T,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
struct Optimizer<'a, T: RealNumber, M: Matrix<T>, K: Kernel<T, M::RowVector>> {
|
||||||
|
tol: T,
|
||||||
|
c: T,
|
||||||
|
svmin: usize,
|
||||||
|
svmax: usize,
|
||||||
|
gmin: T,
|
||||||
|
gmax: T,
|
||||||
|
gminindex: usize,
|
||||||
|
gmaxindex: usize,
|
||||||
|
tau: T,
|
||||||
|
sv: Vec<SupportVector<T, M::RowVector>>,
|
||||||
|
kernel: &'a K,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
struct Cache<T: Clone> {
|
||||||
|
data: Vec<RefCell<Option<Vec<T>>>>,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: RealNumber> Default for SVRParameters<T> {
|
||||||
|
fn default() -> Self {
|
||||||
|
SVRParameters {
|
||||||
|
eps: T::from_f64(0.1).unwrap(),
|
||||||
|
c: T::one(),
|
||||||
|
tol: T::from_f64(1e-3).unwrap(),
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>, K: Kernel<T, M::RowVector>> SVR<T, M, K> {
|
||||||
|
/// Fits SVR to your data.
|
||||||
|
/// * `x` - _NxM_ matrix with _N_ observations and _M_ features in each observation.
|
||||||
|
/// * `y` - target values
|
||||||
|
/// * `kernel` - the kernel function
|
||||||
|
/// * `parameters` - optional parameters, use `Default::default()` to set parameters to default values.
|
||||||
|
pub fn fit(
|
||||||
|
x: &M,
|
||||||
|
y: &M::RowVector,
|
||||||
|
kernel: K,
|
||||||
|
parameters: SVRParameters<T>,
|
||||||
|
) -> Result<SVR<T, M, K>, Failed> {
|
||||||
|
let (n, _) = x.shape();
|
||||||
|
|
||||||
|
if n != y.len() {
|
||||||
|
return Err(Failed::fit(&format!(
|
||||||
|
"Number of rows of X doesn't match number of rows of Y"
|
||||||
|
)));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let optimizer = Optimizer::optimize(x, y, &kernel, ¶meters);
|
||||||
|
|
||||||
|
let (support_vectors, weight, b) = optimizer.smo();
|
||||||
|
|
||||||
|
Ok(SVR {
|
||||||
|
kernel: kernel,
|
||||||
|
instances: support_vectors,
|
||||||
|
w: weight,
|
||||||
|
b: b,
|
||||||
|
})
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
/// Predict target values from `x`
|
||||||
|
/// * `x` - _KxM_ data where _K_ is number of observations and _M_ is number of features.
|
||||||
|
pub fn predict(&self, x: &M) -> Result<M::RowVector, Failed> {
|
||||||
|
let (n, _) = x.shape();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut y_hat = M::RowVector::zeros(n);
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..n {
|
||||||
|
y_hat.set(i, self.predict_for_row(x.get_row(i)));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Ok(y_hat)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
pub(in crate) fn predict_for_row(&self, x: M::RowVector) -> T {
|
||||||
|
let mut f = self.b;
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..self.instances.len() {
|
||||||
|
f += self.w[i] * self.kernel.apply(&x, &self.instances[i]);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
return f;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>, K: Kernel<T, M::RowVector>> PartialEq for SVR<T, M, K> {
|
||||||
|
fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
|
||||||
|
if self.b != other.b
|
||||||
|
|| self.w.len() != other.w.len()
|
||||||
|
|| self.instances.len() != other.instances.len()
|
||||||
|
{
|
||||||
|
return false;
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
for i in 0..self.w.len() {
|
||||||
|
if (self.w[i] - other.w[i]).abs() > T::epsilon() {
|
||||||
|
return false;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
for i in 0..self.instances.len() {
|
||||||
|
if !self.instances[i].approximate_eq(&other.instances[i], T::epsilon()) {
|
||||||
|
return false;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
return true;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: RealNumber, V: BaseVector<T>> SupportVector<T, V> {
|
||||||
|
fn new<K: Kernel<T, V>>(i: usize, x: V, y: T, eps: T, k: &K) -> SupportVector<T, V> {
|
||||||
|
let k_v = k.apply(&x, &x);
|
||||||
|
SupportVector {
|
||||||
|
index: i,
|
||||||
|
x: x,
|
||||||
|
grad: [eps + y, eps - y],
|
||||||
|
k: k_v,
|
||||||
|
alpha: [T::zero(), T::zero()],
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<'a, T: RealNumber, M: Matrix<T>, K: Kernel<T, M::RowVector>> Optimizer<'a, T, M, K> {
|
||||||
|
fn optimize(
|
||||||
|
x: &M,
|
||||||
|
y: &M::RowVector,
|
||||||
|
kernel: &'a K,
|
||||||
|
parameters: &SVRParameters<T>,
|
||||||
|
) -> Optimizer<'a, T, M, K> {
|
||||||
|
let (n, _) = x.shape();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut support_vectors: Vec<SupportVector<T, M::RowVector>> = Vec::with_capacity(n);
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..n {
|
||||||
|
support_vectors.push(SupportVector::new(
|
||||||
|
i,
|
||||||
|
x.get_row(i),
|
||||||
|
y.get(i),
|
||||||
|
parameters.eps,
|
||||||
|
kernel,
|
||||||
|
));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Optimizer {
|
||||||
|
tol: parameters.tol,
|
||||||
|
c: parameters.c,
|
||||||
|
svmin: 0,
|
||||||
|
svmax: 0,
|
||||||
|
gmin: T::max_value(),
|
||||||
|
gmax: T::min_value(),
|
||||||
|
gminindex: 0,
|
||||||
|
gmaxindex: 0,
|
||||||
|
tau: T::from_f64(1e-12).unwrap(),
|
||||||
|
sv: support_vectors,
|
||||||
|
kernel: kernel,
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn minmax(&mut self) {
|
||||||
|
self.gmin = T::max_value();
|
||||||
|
self.gmax = T::min_value();
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..self.sv.len() {
|
||||||
|
let v = &self.sv[i];
|
||||||
|
let g = -v.grad[0];
|
||||||
|
let a = v.alpha[0];
|
||||||
|
if g < self.gmin && a > T::zero() {
|
||||||
|
self.gmin = g;
|
||||||
|
self.gminindex = 0;
|
||||||
|
self.svmin = i;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if g > self.gmax && a < self.c {
|
||||||
|
self.gmax = g;
|
||||||
|
self.gmaxindex = 0;
|
||||||
|
self.svmax = i;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let g = v.grad[1];
|
||||||
|
let a = v.alpha[1];
|
||||||
|
if g < self.gmin && a < self.c {
|
||||||
|
self.gmin = g;
|
||||||
|
self.gminindex = 1;
|
||||||
|
self.svmin = i;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
if g > self.gmax && a > T::zero() {
|
||||||
|
self.gmax = g;
|
||||||
|
self.gmaxindex = 1;
|
||||||
|
self.svmax = i;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn smo(mut self) -> (Vec<M::RowVector>, Vec<T>, T) {
|
||||||
|
let cache: Cache<T> = Cache::new(self.sv.len());
|
||||||
|
|
||||||
|
self.minmax();
|
||||||
|
|
||||||
|
while self.gmax - self.gmin > self.tol {
|
||||||
|
let v1 = self.svmax;
|
||||||
|
let i = self.gmaxindex;
|
||||||
|
let old_alpha_i = self.sv[v1].alpha[i];
|
||||||
|
|
||||||
|
let k1 = cache.get(self.sv[v1].index, || {
|
||||||
|
self.sv
|
||||||
|
.iter()
|
||||||
|
.map(|vi| self.kernel.apply(&self.sv[v1].x, &vi.x))
|
||||||
|
.collect()
|
||||||
|
});
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut v2 = self.svmin;
|
||||||
|
let mut j = self.gminindex;
|
||||||
|
let mut old_alpha_j = self.sv[v2].alpha[j];
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut best = T::zero();
|
||||||
|
let gi = if i == 0 {
|
||||||
|
-self.sv[v1].grad[0]
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
self.sv[v1].grad[1]
|
||||||
|
};
|
||||||
|
for jj in 0..self.sv.len() {
|
||||||
|
let v = &self.sv[jj];
|
||||||
|
let mut curv = self.sv[v1].k + v.k - T::two() * k1[v.index];
|
||||||
|
if curv <= T::zero() {
|
||||||
|
curv = self.tau;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut gj = -v.grad[0];
|
||||||
|
if v.alpha[0] > T::zero() && gj < gi {
|
||||||
|
let gain = -((gi - gj) * (gi - gj)) / curv;
|
||||||
|
if gain < best {
|
||||||
|
best = gain;
|
||||||
|
v2 = jj;
|
||||||
|
j = 0;
|
||||||
|
old_alpha_j = self.sv[v2].alpha[0];
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
gj = v.grad[1];
|
||||||
|
if v.alpha[1] < self.c && gj < gi {
|
||||||
|
let gain = -((gi - gj) * (gi - gj)) / curv;
|
||||||
|
if gain < best {
|
||||||
|
best = gain;
|
||||||
|
v2 = jj;
|
||||||
|
j = 1;
|
||||||
|
old_alpha_j = self.sv[v2].alpha[1];
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let k2 = cache.get(self.sv[v2].index, || {
|
||||||
|
self.sv
|
||||||
|
.iter()
|
||||||
|
.map(|vi| self.kernel.apply(&self.sv[v2].x, &vi.x))
|
||||||
|
.collect()
|
||||||
|
});
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut curv = self.sv[v1].k + self.sv[v2].k - T::two() * k1[self.sv[v2].index];
|
||||||
|
if curv <= T::zero() {
|
||||||
|
curv = self.tau;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
if i != j {
|
||||||
|
let delta = (-self.sv[v1].grad[i] - self.sv[v2].grad[j]) / curv;
|
||||||
|
let diff = self.sv[v1].alpha[i] - self.sv[v2].alpha[j];
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] += delta;
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] += delta;
|
||||||
|
|
||||||
|
if diff > T::zero() {
|
||||||
|
if self.sv[v2].alpha[j] < T::zero() {
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = T::zero();
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = diff;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
if self.sv[v1].alpha[i] < T::zero() {
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = T::zero();
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = -diff;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
if diff > T::zero() {
|
||||||
|
if self.sv[v1].alpha[i] > self.c {
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = self.c;
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = self.c - diff;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
if self.sv[v2].alpha[j] > self.c {
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = self.c;
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = self.c + diff;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
let delta = (self.sv[v1].grad[i] - self.sv[v2].grad[j]) / curv;
|
||||||
|
let sum = self.sv[v1].alpha[i] + self.sv[v2].alpha[j];
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] -= delta;
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] += delta;
|
||||||
|
|
||||||
|
if sum > self.c {
|
||||||
|
if self.sv[v1].alpha[i] > self.c {
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = self.c;
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = sum - self.c;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
if self.sv[v2].alpha[j] < T::zero() {
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = T::zero();
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = sum;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
if sum > self.c {
|
||||||
|
if self.sv[v2].alpha[j] > self.c {
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = self.c;
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = sum - self.c;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
} else {
|
||||||
|
if self.sv[v1].alpha[i] < T::zero() {
|
||||||
|
self.sv[v1].alpha[i] = T::zero();
|
||||||
|
self.sv[v2].alpha[j] = sum;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let delta_alpha_i = self.sv[v1].alpha[i] - old_alpha_i;
|
||||||
|
let delta_alpha_j = self.sv[v2].alpha[j] - old_alpha_j;
|
||||||
|
|
||||||
|
let si = T::two() * T::from_usize(i).unwrap() - T::one();
|
||||||
|
let sj = T::two() * T::from_usize(j).unwrap() - T::one();
|
||||||
|
for v in self.sv.iter_mut() {
|
||||||
|
v.grad[0] -= si * k1[v.index] * delta_alpha_i + sj * k2[v.index] * delta_alpha_j;
|
||||||
|
v.grad[1] += si * k1[v.index] * delta_alpha_i + sj * k2[v.index] * delta_alpha_j;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
self.minmax();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let b = -(self.gmax + self.gmin) / T::two();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut result: Vec<M::RowVector> = Vec::new();
|
||||||
|
let mut alpha: Vec<T> = Vec::new();
|
||||||
|
|
||||||
|
for v in self.sv {
|
||||||
|
if v.alpha[0] != v.alpha[1] {
|
||||||
|
result.push(v.x);
|
||||||
|
alpha.push(v.alpha[1] - v.alpha[0]);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
(result, alpha, b)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<T: Clone> Cache<T> {
|
||||||
|
fn new(n: usize) -> Cache<T> {
|
||||||
|
Cache {
|
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|
data: vec![RefCell::new(None); n],
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn get<F: Fn() -> Vec<T>>(&self, i: usize, or: F) -> Ref<Vec<T>> {
|
||||||
|
if self.data[i].borrow().is_none() {
|
||||||
|
self.data[i].replace(Some(or()));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
Ref::map(self.data[i].borrow(), |v| v.as_ref().unwrap())
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[cfg(test)]
|
||||||
|
mod tests {
|
||||||
|
use super::*;
|
||||||
|
use crate::linalg::naive::dense_matrix::*;
|
||||||
|
use crate::metrics::mean_squared_error;
|
||||||
|
use crate::svm::*;
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn svr_fit_predict() {
|
||||||
|
let x = DenseMatrix::from_2d_array(&[
|
||||||
|
&[234.289, 235.6, 159.0, 107.608, 1947., 60.323],
|
||||||
|
&[259.426, 232.5, 145.6, 108.632, 1948., 61.122],
|
||||||
|
&[258.054, 368.2, 161.6, 109.773, 1949., 60.171],
|
||||||
|
&[284.599, 335.1, 165.0, 110.929, 1950., 61.187],
|
||||||
|
&[328.975, 209.9, 309.9, 112.075, 1951., 63.221],
|
||||||
|
&[346.999, 193.2, 359.4, 113.270, 1952., 63.639],
|
||||||
|
&[365.385, 187.0, 354.7, 115.094, 1953., 64.989],
|
||||||
|
&[363.112, 357.8, 335.0, 116.219, 1954., 63.761],
|
||||||
|
&[397.469, 290.4, 304.8, 117.388, 1955., 66.019],
|
||||||
|
&[419.180, 282.2, 285.7, 118.734, 1956., 67.857],
|
||||||
|
&[442.769, 293.6, 279.8, 120.445, 1957., 68.169],
|
||||||
|
&[444.546, 468.1, 263.7, 121.950, 1958., 66.513],
|
||||||
|
&[482.704, 381.3, 255.2, 123.366, 1959., 68.655],
|
||||||
|
&[502.601, 393.1, 251.4, 125.368, 1960., 69.564],
|
||||||
|
&[518.173, 480.6, 257.2, 127.852, 1961., 69.331],
|
||||||
|
&[554.894, 400.7, 282.7, 130.081, 1962., 70.551],
|
||||||
|
]);
|
||||||
|
|
||||||
|
let y: Vec<f64> = vec![
|
||||||
|
83.0, 88.5, 88.2, 89.5, 96.2, 98.1, 99.0, 100.0, 101.2, 104.6, 108.4, 110.8, 112.6,
|
||||||
|
114.2, 115.7, 116.9,
|
||||||
|
];
|
||||||
|
|
||||||
|
let y_hat = SVR::fit(
|
||||||
|
&x,
|
||||||
|
&y,
|
||||||
|
LinearKernel {},
|
||||||
|
SVRParameters {
|
||||||
|
eps: 2.0,
|
||||||
|
c: 10.0,
|
||||||
|
tol: 1e-3,
|
||||||
|
},
|
||||||
|
)
|
||||||
|
.and_then(|lr| lr.predict(&x))
|
||||||
|
.unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
println!("{:?}", y_hat);
|
||||||
|
|
||||||
|
assert!(mean_squared_error(&y_hat, &y) < 2.5);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn svr_serde() {
|
||||||
|
let x = DenseMatrix::from_2d_array(&[
|
||||||
|
&[234.289, 235.6, 159.0, 107.608, 1947., 60.323],
|
||||||
|
&[259.426, 232.5, 145.6, 108.632, 1948., 61.122],
|
||||||
|
&[258.054, 368.2, 161.6, 109.773, 1949., 60.171],
|
||||||
|
&[284.599, 335.1, 165.0, 110.929, 1950., 61.187],
|
||||||
|
&[328.975, 209.9, 309.9, 112.075, 1951., 63.221],
|
||||||
|
&[346.999, 193.2, 359.4, 113.270, 1952., 63.639],
|
||||||
|
&[365.385, 187.0, 354.7, 115.094, 1953., 64.989],
|
||||||
|
&[363.112, 357.8, 335.0, 116.219, 1954., 63.761],
|
||||||
|
&[397.469, 290.4, 304.8, 117.388, 1955., 66.019],
|
||||||
|
&[419.180, 282.2, 285.7, 118.734, 1956., 67.857],
|
||||||
|
&[442.769, 293.6, 279.8, 120.445, 1957., 68.169],
|
||||||
|
&[444.546, 468.1, 263.7, 121.950, 1958., 66.513],
|
||||||
|
&[482.704, 381.3, 255.2, 123.366, 1959., 68.655],
|
||||||
|
&[502.601, 393.1, 251.4, 125.368, 1960., 69.564],
|
||||||
|
&[518.173, 480.6, 257.2, 127.852, 1961., 69.331],
|
||||||
|
&[554.894, 400.7, 282.7, 130.081, 1962., 70.551],
|
||||||
|
]);
|
||||||
|
|
||||||
|
let y: Vec<f64> = vec![
|
||||||
|
83.0, 88.5, 88.2, 89.5, 96.2, 98.1, 99.0, 100.0, 101.2, 104.6, 108.4, 110.8, 112.6,
|
||||||
|
114.2, 115.7, 116.9,
|
||||||
|
];
|
||||||
|
|
||||||
|
let svr = SVR::fit(&x, &y, LinearKernel {}, Default::default()).unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
let deserialized_svr: SVR<f64, DenseMatrix<f64>, LinearKernel> =
|
||||||
|
serde_json::from_str(&serde_json::to_string(&svr).unwrap()).unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
assert_eq!(svr, deserialized_svr);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
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