feat: adds elastic net
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@@ -271,6 +271,9 @@ pub trait BaseVector<T: RealNumber>: Clone + Debug {
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fn std(&self) -> T {
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fn std(&self) -> T {
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self.var().sqrt()
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self.var().sqrt()
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}
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}
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/// Copies content of `other` vector.
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fn copy_from(&mut self, other: &Self);
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}
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}
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/// Generic matrix type.
|
/// Generic matrix type.
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@@ -176,6 +176,20 @@ impl<T: RealNumber> BaseVector<T> for Vec<T> {
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result.dedup();
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result.dedup();
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result
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result
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}
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}
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fn copy_from(&mut self, other: &Self) {
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if self.len() != other.len() {
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panic!(
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"Can't copy vector of length {} into a vector of length {}.",
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self.len(),
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other.len()
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);
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}
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for i in 0..self.len() {
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self[i] = other[i];
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}
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}
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}
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}
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/// Column-major, dense matrix. See [Simple Dense Matrix](../index.html).
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/// Column-major, dense matrix. See [Simple Dense Matrix](../index.html).
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@@ -181,6 +181,10 @@ impl<T: RealNumber + 'static> BaseVector<T> for MatrixMN<T, U1, Dynamic> {
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result.dedup();
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result.dedup();
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result
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result
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}
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}
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fn copy_from(&mut self, other: &Self) {
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Matrix::copy_from(self, other);
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}
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}
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}
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impl<T: RealNumber + Scalar + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum + 'static>
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impl<T: RealNumber + Scalar + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum + 'static>
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@@ -575,6 +579,16 @@ mod tests {
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use crate::linear::linear_regression::*;
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use crate::linear::linear_regression::*;
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use nalgebra::{DMatrix, Matrix2x3, RowDVector};
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use nalgebra::{DMatrix, Matrix2x3, RowDVector};
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#[test]
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fn vec_copy_from() {
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let mut v1 = RowDVector::from_vec(vec![1., 2., 3.]);
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let mut v2 = RowDVector::from_vec(vec![4., 5., 6.]);
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||||||
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v1.copy_from(&v2);
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assert_eq!(v2, v1);
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v2[0] = 10.0;
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assert_ne!(v2, v1);
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}
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#[test]
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#[test]
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fn vec_len() {
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fn vec_len() {
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let v = RowDVector::from_vec(vec![1., 2., 3.]);
|
let v = RowDVector::from_vec(vec![1., 2., 3.]);
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@@ -176,6 +176,10 @@ impl<T: RealNumber + ScalarOperand> BaseVector<T> for ArrayBase<OwnedRepr<T>, Ix
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result.dedup();
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result.dedup();
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result
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result
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}
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}
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fn copy_from(&mut self, other: &Self) {
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self.assign(&other);
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}
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}
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}
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impl<T: RealNumber + ScalarOperand + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum>
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impl<T: RealNumber + ScalarOperand + AddAssign + SubAssign + MulAssign + DivAssign + Sum>
|
||||||
@@ -537,6 +541,16 @@ mod tests {
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assert_eq!(5., BaseVector::get(&result, 1));
|
assert_eq!(5., BaseVector::get(&result, 1));
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}
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}
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#[test]
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fn vec_copy_from() {
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let mut v1 = arr1(&[1., 2., 3.]);
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||||||
|
let mut v2 = arr1(&[4., 5., 6.]);
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||||||
|
v1.copy_from(&v2);
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|
assert_eq!(v1, v2);
|
||||||
|
v2[0] = 10.0;
|
||||||
|
assert_ne!(v1, v2);
|
||||||
|
}
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#[test]
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#[test]
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||||||
fn vec_len() {
|
fn vec_len() {
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let v = arr1(&[1., 2., 3.]);
|
let v = arr1(&[1., 2., 3.]);
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||||||
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@@ -0,0 +1,335 @@
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//! # Elastic Net
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//!
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//!
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|
//! ## References:
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//!
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|
//! * ["An Introduction to Statistical Learning", James G., Witten D., Hastie T., Tibshirani R., 6.2. Shrinkage Methods](http://faculty.marshall.usc.edu/gareth-james/ISL/)
|
||||||
|
//! * ["Regularization and variable selection via the elastic net", Hui Zou and Trevor Hastie](https://web.stanford.edu/~hastie/Papers/B67.2%20(2005)%20301-320%20Zou%20&%20Hastie.pdf)
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//!
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|
//! <script src="https://polyfill.io/v3/polyfill.min.js?features=es6"></script>
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|
//! <script id="MathJax-script" async src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/mathjax@3/es5/tex-mml-chtml.js"></script>
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use std::fmt::Debug;
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use serde::{Deserialize, Serialize};
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use crate::error::Failed;
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use crate::linalg::BaseVector;
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use crate::linalg::Matrix;
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use crate::math::num::RealNumber;
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use crate::linear::lasso_optimizer::InteriorPointOptimizer;
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/// Ridge Regression parameters
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#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
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pub struct ElasticNetParameters<T: RealNumber> {
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pub alpha: T,
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pub l1_ratio: T,
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pub normalize: bool,
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pub tol: T,
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pub max_iter: usize,
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}
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/// Ridge regression
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#[derive(Serialize, Deserialize, Debug)]
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pub struct ElasticNet<T: RealNumber, M: Matrix<T>> {
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coefficients: M,
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intercept: T,
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}
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impl<T: RealNumber> Default for ElasticNetParameters<T> {
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fn default() -> Self {
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ElasticNetParameters {
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alpha: T::one(),
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l1_ratio: T::half(),
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|
normalize: true,
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|
tol: T::from_f64(1e-4).unwrap(),
|
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|
max_iter: 1000,
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}
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|
}
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}
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|
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> PartialEq for ElasticNet<T, M> {
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fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
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self.coefficients == other.coefficients
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&& (self.intercept - other.intercept).abs() <= T::epsilon()
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}
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}
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|
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> ElasticNet<T, M> {
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/// Fits ridge regression to your data.
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/// * `x` - _NxM_ matrix with _N_ observations and _M_ features in each observation.
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/// * `y` - target values
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/// * `parameters` - other parameters, use `Default::default()` to set parameters to default values.
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pub fn fit(
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x: &M,
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y: &M::RowVector,
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parameters: ElasticNetParameters<T>,
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) -> Result<ElasticNet<T, M>, Failed> {
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let (n, p) = x.shape();
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if y.len() != n {
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return Err(Failed::fit("Number of rows in X should = len(y)"));
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}
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let n_float = T::from_usize(n).unwrap();
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let l1_reg = parameters.alpha * parameters.l1_ratio * n_float;
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let l2_reg = parameters.alpha * (T::one() - parameters.l1_ratio) * n_float;
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|
let y_mean = y.mean();
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let (w, b) = if parameters.normalize {
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let (scaled_x, col_mean, col_std) = Self::rescale_x(x)?;
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|
let (x, y, gamma) = Self::augment_X_and_y(&scaled_x, y, l2_reg);
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let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(&x, p);
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let mut w =
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optimizer.optimize(&x, &y, l1_reg * gamma, parameters.max_iter, parameters.tol)?;
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for i in 0..p {
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|
w.set(i, 0, gamma * w.get(i, 0) / col_std[i]);
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}
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|
let mut b = T::zero();
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for i in 0..p {
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b += w.get(i, 0) * col_mean[i];
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}
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b = y_mean - b;
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||||||
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(w, b)
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} else {
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let (x, y, gamma) = Self::augment_X_and_y(x, y, l2_reg);
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||||||
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|
||||||
|
let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(&x, p);
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||||||
|
|
||||||
|
let mut w =
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||||||
|
optimizer.optimize(&x, &y, l1_reg * gamma, parameters.max_iter, parameters.tol)?;
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||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
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||||||
|
w.set(i, 0, gamma * w.get(i, 0));
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|
}
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|
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|
(w, y_mean)
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};
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Ok(ElasticNet {
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intercept: b,
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coefficients: w,
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})
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|
}
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/// Predict target values from `x`
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/// * `x` - _KxM_ data where _K_ is number of observations and _M_ is number of features.
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pub fn predict(&self, x: &M) -> Result<M::RowVector, Failed> {
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let (nrows, _) = x.shape();
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let mut y_hat = x.matmul(&self.coefficients);
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|
y_hat.add_mut(&M::fill(nrows, 1, self.intercept));
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|
Ok(y_hat.transpose().to_row_vector())
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|
}
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/// Get estimates regression coefficients
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pub fn coefficients(&self) -> &M {
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&self.coefficients
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}
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/// Get estimate of intercept
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pub fn intercept(&self) -> T {
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self.intercept
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}
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fn rescale_x(x: &M) -> Result<(M, Vec<T>, Vec<T>), Failed> {
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let col_mean = x.mean(0);
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let col_std = x.std(0);
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for i in 0..col_std.len() {
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if (col_std[i] - T::zero()).abs() < T::epsilon() {
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return Err(Failed::fit(&format!(
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"Cannot rescale constant column {}",
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i
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)));
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}
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}
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let mut scaled_x = x.clone();
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scaled_x.scale_mut(&col_mean, &col_std, 0);
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|
Ok((scaled_x, col_mean, col_std))
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|
}
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fn augment_X_and_y(x: &M, y: &M::RowVector, l2_reg: T) -> (M, M::RowVector, T) {
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let (n, p) = x.shape();
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|
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let gamma = T::one() / (T::one() + l2_reg).sqrt();
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let padding = gamma * l2_reg.sqrt();
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||||||
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|
let mut y2 = M::RowVector::zeros(n + p);
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||||||
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for i in 0..y.len() {
|
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|
y2.set(i, y.get(i));
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||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
let mut x2 = M::zeros(n + p, p);
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||||||
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||||||
|
for j in 0..p {
|
||||||
|
for i in 0..n {
|
||||||
|
x2.set(i, j, gamma * x.get(i, j));
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
x2.set(j + n, j, padding);
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||||||
|
}
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||||||
|
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||||||
|
(x2, y2, gamma)
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}
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}
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#[cfg(test)]
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mod tests {
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use super::*;
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use crate::linalg::naive::dense_matrix::*;
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||||||
|
use crate::metrics::mean_absolute_error;
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|
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||||||
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#[test]
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||||||
|
fn elasticnet_longley() {
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|
let x = DenseMatrix::from_2d_array(&[
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||||||
|
&[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 = ElasticNet::fit(
|
||||||
|
&x,
|
||||||
|
&y,
|
||||||
|
ElasticNetParameters {
|
||||||
|
alpha: 1.0,
|
||||||
|
l1_ratio: 0.5,
|
||||||
|
normalize: false,
|
||||||
|
tol: 1e-4,
|
||||||
|
max_iter: 1000,
|
||||||
|
},
|
||||||
|
)
|
||||||
|
.and_then(|lr| lr.predict(&x))
|
||||||
|
.unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
assert!(mean_absolute_error(&y_hat, &y) < 30.0);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn elasticnet_fit_predict1() {
|
||||||
|
let x = DenseMatrix::from_2d_array(&[
|
||||||
|
&[0.0, 1931.0, 1.2232755825400514],
|
||||||
|
&[1.0, 1933.0, 1.1379726120972395],
|
||||||
|
&[2.0, 1920.0, 1.4366265120543429],
|
||||||
|
&[3.0, 1918.0, 1.206005737827858],
|
||||||
|
&[4.0, 1934.0, 1.436613542400669],
|
||||||
|
&[5.0, 1918.0, 1.1594588621640636],
|
||||||
|
&[6.0, 1933.0, 1.19809994745985],
|
||||||
|
&[7.0, 1918.0, 1.3396363871645678],
|
||||||
|
&[8.0, 1931.0, 1.2535342096493207],
|
||||||
|
&[9.0, 1933.0, 1.3101281563456293],
|
||||||
|
&[10.0, 1922.0, 1.3585833349920762],
|
||||||
|
&[11.0, 1930.0, 1.4830786699709897],
|
||||||
|
&[12.0, 1916.0, 1.4919891143094546],
|
||||||
|
&[13.0, 1915.0, 1.259655137451551],
|
||||||
|
&[14.0, 1932.0, 1.3979191428724789],
|
||||||
|
&[15.0, 1917.0, 1.3686634746782371],
|
||||||
|
&[16.0, 1932.0, 1.381658454569724],
|
||||||
|
&[17.0, 1918.0, 1.4054969025700674],
|
||||||
|
&[18.0, 1929.0, 1.3271699396384906],
|
||||||
|
&[19.0, 1915.0, 1.1373332337674806],
|
||||||
|
]);
|
||||||
|
|
||||||
|
let y: Vec<f64> = vec![
|
||||||
|
1.48, 2.72, 4.52, 5.72, 5.25, 4.07, 3.75, 4.75, 6.77, 4.72, 6.78, 6.79, 8.3, 7.42,
|
||||||
|
10.2, 7.92, 7.62, 8.06, 9.06, 9.29,
|
||||||
|
];
|
||||||
|
|
||||||
|
let l1_model = ElasticNet::fit(
|
||||||
|
&x,
|
||||||
|
&y,
|
||||||
|
ElasticNetParameters {
|
||||||
|
alpha: 1.0,
|
||||||
|
l1_ratio: 1.0,
|
||||||
|
normalize: true,
|
||||||
|
tol: 1e-4,
|
||||||
|
max_iter: 1000,
|
||||||
|
},
|
||||||
|
)
|
||||||
|
.unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
let l2_model = ElasticNet::fit(
|
||||||
|
&x,
|
||||||
|
&y,
|
||||||
|
ElasticNetParameters {
|
||||||
|
alpha: 1.0,
|
||||||
|
l1_ratio: 0.0,
|
||||||
|
normalize: true,
|
||||||
|
tol: 1e-4,
|
||||||
|
max_iter: 1000,
|
||||||
|
},
|
||||||
|
)
|
||||||
|
.unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mae_l1 = mean_absolute_error(&l1_model.predict(&x).unwrap(), &y);
|
||||||
|
let mae_l2 = mean_absolute_error(&l2_model.predict(&x).unwrap(), &y);
|
||||||
|
|
||||||
|
assert!(mae_l1 < 2.0);
|
||||||
|
assert!(mae_l2 < 2.0);
|
||||||
|
|
||||||
|
assert!(l1_model.coefficients().get(0, 0) > l1_model.coefficients().get(1, 0));
|
||||||
|
assert!(l1_model.coefficients().get(0, 0) > l1_model.coefficients().get(2, 0));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
#[test]
|
||||||
|
fn 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![
|
||||||
|
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 lr = ElasticNet::fit(&x, &y, Default::default()).unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
let deserialized_lr: ElasticNet<f64, DenseMatrix<f64>> =
|
||||||
|
serde_json::from_str(&serde_json::to_string(&lr).unwrap()).unwrap();
|
||||||
|
|
||||||
|
assert_eq!(lr, deserialized_lr);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
+10
-237
@@ -29,7 +29,7 @@ use serde::{Deserialize, Serialize};
|
|||||||
use crate::error::Failed;
|
use crate::error::Failed;
|
||||||
use crate::linalg::BaseVector;
|
use crate::linalg::BaseVector;
|
||||||
use crate::linalg::Matrix;
|
use crate::linalg::Matrix;
|
||||||
use crate::linear::bg_solver::BiconjugateGradientSolver;
|
use crate::linear::lasso_optimizer::InteriorPointOptimizer;
|
||||||
use crate::math::num::RealNumber;
|
use crate::math::num::RealNumber;
|
||||||
|
|
||||||
/// Lasso regression parameters
|
/// Lasso regression parameters
|
||||||
@@ -53,14 +53,6 @@ pub struct Lasso<T: RealNumber, M: Matrix<T>> {
|
|||||||
intercept: T,
|
intercept: T,
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
struct InteriorPointOptimizer<T: RealNumber, M: Matrix<T>> {
|
|
||||||
ata: M,
|
|
||||||
d1: Vec<T>,
|
|
||||||
d2: Vec<T>,
|
|
||||||
prb: Vec<T>,
|
|
||||||
prs: Vec<T>,
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
impl<T: RealNumber> Default for LassoParameters<T> {
|
impl<T: RealNumber> Default for LassoParameters<T> {
|
||||||
fn default() -> Self {
|
fn default() -> Self {
|
||||||
LassoParameters {
|
LassoParameters {
|
||||||
@@ -118,7 +110,13 @@ impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> Lasso<T, M> {
|
|||||||
|
|
||||||
let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(&scaled_x, p);
|
let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(&scaled_x, p);
|
||||||
|
|
||||||
let mut w = optimizer.optimize(&scaled_x, y, ¶meters)?;
|
let mut w = optimizer.optimize(
|
||||||
|
&scaled_x,
|
||||||
|
y,
|
||||||
|
parameters.alpha,
|
||||||
|
parameters.max_iter,
|
||||||
|
parameters.tol,
|
||||||
|
)?;
|
||||||
|
|
||||||
for j in 0..p {
|
for j in 0..p {
|
||||||
w.set(j, 0, w.get(j, 0) / col_std[j]);
|
w.set(j, 0, w.get(j, 0) / col_std[j]);
|
||||||
@@ -135,7 +133,8 @@ impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> Lasso<T, M> {
|
|||||||
} else {
|
} else {
|
||||||
let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(x, p);
|
let mut optimizer = InteriorPointOptimizer::new(x, p);
|
||||||
|
|
||||||
let w = optimizer.optimize(x, y, ¶meters)?;
|
let w =
|
||||||
|
optimizer.optimize(x, y, parameters.alpha, parameters.max_iter, parameters.tol)?;
|
||||||
|
|
||||||
(w, y.mean())
|
(w, y.mean())
|
||||||
};
|
};
|
||||||
@@ -184,232 +183,6 @@ impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> Lasso<T, M> {
|
|||||||
}
|
}
|
||||||
}
|
}
|
||||||
|
|
||||||
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> InteriorPointOptimizer<T, M> {
|
|
||||||
fn new(a: &M, n: usize) -> InteriorPointOptimizer<T, M> {
|
|
||||||
InteriorPointOptimizer {
|
|
||||||
ata: a.ab(true, a, false),
|
|
||||||
d1: vec![T::zero(); n],
|
|
||||||
d2: vec![T::zero(); n],
|
|
||||||
prb: vec![T::zero(); n],
|
|
||||||
prs: vec![T::zero(); n],
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
fn optimize(
|
|
||||||
&mut self,
|
|
||||||
x: &M,
|
|
||||||
y: &M::RowVector,
|
|
||||||
parameters: &LassoParameters<T>,
|
|
||||||
) -> Result<M, Failed> {
|
|
||||||
let (n, p) = x.shape();
|
|
||||||
let p_f64 = T::from_usize(p).unwrap();
|
|
||||||
|
|
||||||
//parameters
|
|
||||||
let pcgmaxi = 5000;
|
|
||||||
let min_pcgtol = T::from_f64(0.1).unwrap();
|
|
||||||
let eta = T::from_f64(1E-3).unwrap();
|
|
||||||
let alpha = T::from_f64(0.01).unwrap();
|
|
||||||
let beta = T::from_f64(0.5).unwrap();
|
|
||||||
let gamma = T::from_f64(-0.25).unwrap();
|
|
||||||
let mu = T::two();
|
|
||||||
|
|
||||||
let y = M::from_row_vector(y.sub_scalar(y.mean())).transpose();
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut max_ls_iter = 100;
|
|
||||||
let mut pitr = 0;
|
|
||||||
let mut w = M::zeros(p, 1);
|
|
||||||
let mut neww = w.clone();
|
|
||||||
let mut u = M::ones(p, 1);
|
|
||||||
let mut newu = u.clone();
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut f = M::fill(p, 2, -T::one());
|
|
||||||
let mut newf = f.clone();
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut q1 = vec![T::zero(); p];
|
|
||||||
let mut q2 = vec![T::zero(); p];
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut dx = M::zeros(p, 1);
|
|
||||||
let mut du = M::zeros(p, 1);
|
|
||||||
let mut dxu = M::zeros(2 * p, 1);
|
|
||||||
let mut grad = M::zeros(2 * p, 1);
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut nu = M::zeros(n, 1);
|
|
||||||
let mut dobj = T::zero();
|
|
||||||
let mut s = T::infinity();
|
|
||||||
let mut t = T::one()
|
|
||||||
.max(T::one() / parameters.alpha)
|
|
||||||
.min(T::two() * p_f64 / T::from(1e-3).unwrap());
|
|
||||||
|
|
||||||
for ntiter in 0..parameters.max_iter {
|
|
||||||
let mut z = x.matmul(&w);
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..n {
|
|
||||||
z.set(i, 0, z.get(i, 0) - y.get(i, 0));
|
|
||||||
nu.set(i, 0, T::two() * z.get(i, 0));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
// CALCULATE DUALITY GAP
|
|
||||||
let xnu = x.ab(true, &nu, false);
|
|
||||||
let max_xnu = xnu.norm(T::infinity());
|
|
||||||
if max_xnu > parameters.alpha {
|
|
||||||
let lnu = parameters.alpha / max_xnu;
|
|
||||||
nu.mul_scalar_mut(lnu);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
let pobj = z.dot(&z) + parameters.alpha * w.norm(T::one());
|
|
||||||
dobj = dobj.max(gamma * nu.dot(&nu) - nu.dot(&y));
|
|
||||||
|
|
||||||
let gap = pobj - dobj;
|
|
||||||
|
|
||||||
// STOPPING CRITERION
|
|
||||||
if gap / dobj < parameters.tol {
|
|
||||||
break;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
// UPDATE t
|
|
||||||
if s >= T::half() {
|
|
||||||
t = t.max((T::two() * p_f64 * mu / gap).min(mu * t));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
// CALCULATE NEWTON STEP
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
let q1i = T::one() / (u.get(i, 0) + w.get(i, 0));
|
|
||||||
let q2i = T::one() / (u.get(i, 0) - w.get(i, 0));
|
|
||||||
q1[i] = q1i;
|
|
||||||
q2[i] = q2i;
|
|
||||||
self.d1[i] = (q1i * q1i + q2i * q2i) / t;
|
|
||||||
self.d2[i] = (q1i * q1i - q2i * q2i) / t;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
let mut gradphi = x.ab(true, &z, false);
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
let g1 = T::two() * gradphi.get(i, 0) - (q1[i] - q2[i]) / t;
|
|
||||||
let g2 = parameters.alpha - (q1[i] + q2[i]) / t;
|
|
||||||
gradphi.set(i, 0, g1);
|
|
||||||
grad.set(i, 0, -g1);
|
|
||||||
grad.set(i + p, 0, -g2);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
self.prb[i] = T::two() + self.d1[i];
|
|
||||||
self.prs[i] = self.prb[i] * self.d1[i] - self.d2[i] * self.d2[i];
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
let normg = grad.norm2();
|
|
||||||
let mut pcgtol = min_pcgtol.min(eta * gap / T::one().min(normg));
|
|
||||||
if ntiter != 0 && pitr == 0 {
|
|
||||||
pcgtol *= min_pcgtol;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
let error = self.solve_mut(x, &grad, &mut dxu, pcgtol, pcgmaxi)?;
|
|
||||||
if error > pcgtol {
|
|
||||||
pitr = pcgmaxi;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
dx.set(i, 0, dxu.get(i, 0));
|
|
||||||
du.set(i, 0, dxu.get(i + p, 0));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
// BACKTRACKING LINE SEARCH
|
|
||||||
let phi = z.dot(&z) + parameters.alpha * u.sum() - Self::sumlogneg(&f) / t;
|
|
||||||
s = T::one();
|
|
||||||
let gdx = grad.dot(&dxu);
|
|
||||||
|
|
||||||
let lsiter = 0;
|
|
||||||
while lsiter < max_ls_iter {
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
neww.set(i, 0, w.get(i, 0) + s * dx.get(i, 0));
|
|
||||||
newu.set(i, 0, u.get(i, 0) + s * du.get(i, 0));
|
|
||||||
newf.set(i, 0, neww.get(i, 0) - newu.get(i, 0));
|
|
||||||
newf.set(i, 1, -neww.get(i, 0) - newu.get(i, 0));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
if newf.max() < T::zero() {
|
|
||||||
let mut newz = x.matmul(&neww);
|
|
||||||
for i in 0..n {
|
|
||||||
newz.set(i, 0, newz.get(i, 0) - y.get(i, 0));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
let newphi = newz.dot(&newz) + parameters.alpha * newu.sum()
|
|
||||||
- Self::sumlogneg(&newf) / t;
|
|
||||||
if newphi - phi <= alpha * s * gdx {
|
|
||||||
break;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
|
||||||
s = beta * s;
|
|
||||||
max_ls_iter += 1;
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
if lsiter == max_ls_iter {
|
|
||||||
return Err(Failed::fit(
|
|
||||||
"Exceeded maximum number of iteration for interior point optimizer",
|
|
||||||
));
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
w.copy_from(&neww);
|
|
||||||
u.copy_from(&newu);
|
|
||||||
f.copy_from(&newf);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
Ok(w)
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
fn sumlogneg(f: &M) -> T {
|
|
||||||
let (n, _) = f.shape();
|
|
||||||
let mut sum = T::zero();
|
|
||||||
for i in 0..n {
|
|
||||||
sum += (-f.get(i, 0)).ln();
|
|
||||||
sum += (-f.get(i, 1)).ln();
|
|
||||||
}
|
|
||||||
sum
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
impl<'a, T: RealNumber, M: Matrix<T>> BiconjugateGradientSolver<T, M>
|
|
||||||
for InteriorPointOptimizer<T, M>
|
|
||||||
{
|
|
||||||
fn solve_preconditioner(&self, a: &M, b: &M, x: &mut M) {
|
|
||||||
let (_, p) = a.shape();
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
x.set(
|
|
||||||
i,
|
|
||||||
0,
|
|
||||||
(self.d1[i] * b.get(i, 0) - self.d2[i] * b.get(i + p, 0)) / self.prs[i],
|
|
||||||
);
|
|
||||||
x.set(
|
|
||||||
i + p,
|
|
||||||
0,
|
|
||||||
(-self.d2[i] * b.get(i, 0) + self.prb[i] * b.get(i + p, 0)) / self.prs[i],
|
|
||||||
);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
fn mat_vec_mul(&self, _: &M, x: &M, y: &mut M) {
|
|
||||||
let (_, p) = self.ata.shape();
|
|
||||||
let atax = self.ata.matmul(&x.slice(0..p, 0..1));
|
|
||||||
|
|
||||||
for i in 0..p {
|
|
||||||
y.set(
|
|
||||||
i,
|
|
||||||
0,
|
|
||||||
T::two() * atax.get(i, 0) + self.d1[i] * x.get(i, 0) + self.d2[i] * x.get(i + p, 0),
|
|
||||||
);
|
|
||||||
y.set(
|
|
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i + p,
|
|
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0,
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self.d2[i] * x.get(i, 0) + self.d1[i] * x.get(i + p, 0),
|
|
||||||
);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
|
||||||
|
|
||||||
fn mat_t_vec_mul(&self, a: &M, x: &M, y: &mut M) {
|
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self.mat_vec_mul(a, x, y);
|
|
||||||
}
|
|
||||||
}
|
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||||||
#[cfg(test)]
|
#[cfg(test)]
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mod tests {
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mod tests {
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use super::*;
|
use super::*;
|
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@@ -0,0 +1,255 @@
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|
//! An Interior-Point Method for Large-Scale l1-Regularized Least Squares
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//!
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//! This is a specialized interior-point method for solving large-scale 1-regularized LSPs that uses the
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|
//! preconditioned conjugate gradients algorithm to compute the search direction.
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//!
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|
//! The interior-point method can solve large sparse problems, with a million variables and observations, in a few tens of minutes on a PC.
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|
//! It can efficiently solve large dense problems, that arise in sparse signal recovery with orthogonal transforms, by exploiting fast algorithms for these transforms.
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//!
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//! ## References:
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|
//! * ["An Interior-Point Method for Large-Scale l1-Regularized Least Squares", K. Koh, M. Lustig, S. Boyd, D. Gorinevsky](https://web.stanford.edu/~boyd/papers/pdf/l1_ls.pdf)
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|
//! * [Simple Matlab Solver for l1-regularized Least Squares Problems](https://web.stanford.edu/~boyd/l1_ls/)
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//!
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use crate::error::Failed;
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use crate::linalg::BaseVector;
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use crate::linalg::Matrix;
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use crate::linear::bg_solver::BiconjugateGradientSolver;
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use crate::math::num::RealNumber;
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pub struct InteriorPointOptimizer<T: RealNumber, M: Matrix<T>> {
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ata: M,
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d1: Vec<T>,
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||||||
|
d2: Vec<T>,
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|
prb: Vec<T>,
|
||||||
|
prs: Vec<T>,
|
||||||
|
}
|
||||||
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|
impl<T: RealNumber, M: Matrix<T>> InteriorPointOptimizer<T, M> {
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|
pub fn new(a: &M, n: usize) -> InteriorPointOptimizer<T, M> {
|
||||||
|
InteriorPointOptimizer {
|
||||||
|
ata: a.ab(true, a, false),
|
||||||
|
d1: vec![T::zero(); n],
|
||||||
|
d2: vec![T::zero(); n],
|
||||||
|
prb: vec![T::zero(); n],
|
||||||
|
prs: vec![T::zero(); n],
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
pub fn optimize(
|
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|
&mut self,
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x: &M,
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y: &M::RowVector,
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|
lambda: T,
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|
max_iter: usize,
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|
tol: T,
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) -> Result<M, Failed> {
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let (n, p) = x.shape();
|
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|
let p_f64 = T::from_usize(p).unwrap();
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|
let lambda = lambda.max(T::epsilon());
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//parameters
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let pcgmaxi = 5000;
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let min_pcgtol = T::from_f64(0.1).unwrap();
|
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|
let eta = T::from_f64(1E-3).unwrap();
|
||||||
|
let alpha = T::from_f64(0.01).unwrap();
|
||||||
|
let beta = T::from_f64(0.5).unwrap();
|
||||||
|
let gamma = T::from_f64(-0.25).unwrap();
|
||||||
|
let mu = T::two();
|
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|
let y = M::from_row_vector(y.sub_scalar(y.mean())).transpose();
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let mut max_ls_iter = 100;
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|
let mut pitr = 0;
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|
let mut w = M::zeros(p, 1);
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|
let mut neww = w.clone();
|
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|
let mut u = M::ones(p, 1);
|
||||||
|
let mut newu = u.clone();
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut f = M::fill(p, 2, -T::one());
|
||||||
|
let mut newf = f.clone();
|
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let mut q1 = vec![T::zero(); p];
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|
let mut q2 = vec![T::zero(); p];
|
||||||
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|
let mut dx = M::zeros(p, 1);
|
||||||
|
let mut du = M::zeros(p, 1);
|
||||||
|
let mut dxu = M::zeros(2 * p, 1);
|
||||||
|
let mut grad = M::zeros(2 * p, 1);
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||||||
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|
let mut nu = M::zeros(n, 1);
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|
let mut dobj = T::zero();
|
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let mut s = T::infinity();
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|
let mut t = T::one()
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|
.max(T::one() / lambda)
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|
.min(T::two() * p_f64 / T::from(1e-3).unwrap());
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|
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|
for ntiter in 0..max_iter {
|
||||||
|
let mut z = x.matmul(&w);
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|
|
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|
for i in 0..n {
|
||||||
|
z.set(i, 0, z.get(i, 0) - y.get(i, 0));
|
||||||
|
nu.set(i, 0, T::two() * z.get(i, 0));
|
||||||
|
}
|
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|
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|
// CALCULATE DUALITY GAP
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|
let xnu = x.ab(true, &nu, false);
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|
let max_xnu = xnu.norm(T::infinity());
|
||||||
|
if max_xnu > lambda {
|
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|
let lnu = lambda / max_xnu;
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||||||
|
nu.mul_scalar_mut(lnu);
|
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|
}
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||||||
|
let pobj = z.dot(&z) + lambda * w.norm(T::one());
|
||||||
|
dobj = dobj.max(gamma * nu.dot(&nu) - nu.dot(&y));
|
||||||
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|
let gap = pobj - dobj;
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|
// STOPPING CRITERION
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if gap / dobj < tol {
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break;
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}
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|
// UPDATE t
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if s >= T::half() {
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|
t = t.max((T::two() * p_f64 * mu / gap).min(mu * t));
|
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|
}
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|
// CALCULATE NEWTON STEP
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|
for i in 0..p {
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|
let q1i = T::one() / (u.get(i, 0) + w.get(i, 0));
|
||||||
|
let q2i = T::one() / (u.get(i, 0) - w.get(i, 0));
|
||||||
|
q1[i] = q1i;
|
||||||
|
q2[i] = q2i;
|
||||||
|
self.d1[i] = (q1i * q1i + q2i * q2i) / t;
|
||||||
|
self.d2[i] = (q1i * q1i - q2i * q2i) / t;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let mut gradphi = x.ab(true, &z, false);
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
let g1 = T::two() * gradphi.get(i, 0) - (q1[i] - q2[i]) / t;
|
||||||
|
let g2 = lambda - (q1[i] + q2[i]) / t;
|
||||||
|
gradphi.set(i, 0, g1);
|
||||||
|
grad.set(i, 0, -g1);
|
||||||
|
grad.set(i + p, 0, -g2);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
self.prb[i] = T::two() + self.d1[i];
|
||||||
|
self.prs[i] = self.prb[i] * self.d1[i] - self.d2[i] * self.d2[i];
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let normg = grad.norm2();
|
||||||
|
let mut pcgtol = min_pcgtol.min(eta * gap / T::one().min(normg));
|
||||||
|
if ntiter != 0 && pitr == 0 {
|
||||||
|
pcgtol *= min_pcgtol;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let error = self.solve_mut(x, &grad, &mut dxu, pcgtol, pcgmaxi)?;
|
||||||
|
if error > pcgtol {
|
||||||
|
pitr = pcgmaxi;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
dx.set(i, 0, dxu.get(i, 0));
|
||||||
|
du.set(i, 0, dxu.get(i + p, 0));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
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|
// BACKTRACKING LINE SEARCH
|
||||||
|
let phi = z.dot(&z) + lambda * u.sum() - Self::sumlogneg(&f) / t;
|
||||||
|
s = T::one();
|
||||||
|
let gdx = grad.dot(&dxu);
|
||||||
|
|
||||||
|
let lsiter = 0;
|
||||||
|
while lsiter < max_ls_iter {
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
neww.set(i, 0, w.get(i, 0) + s * dx.get(i, 0));
|
||||||
|
newu.set(i, 0, u.get(i, 0) + s * du.get(i, 0));
|
||||||
|
newf.set(i, 0, neww.get(i, 0) - newu.get(i, 0));
|
||||||
|
newf.set(i, 1, -neww.get(i, 0) - newu.get(i, 0));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
if newf.max() < T::zero() {
|
||||||
|
let mut newz = x.matmul(&neww);
|
||||||
|
for i in 0..n {
|
||||||
|
newz.set(i, 0, newz.get(i, 0) - y.get(i, 0));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
let newphi = newz.dot(&newz) + lambda * newu.sum() - Self::sumlogneg(&newf) / t;
|
||||||
|
if newphi - phi <= alpha * s * gdx {
|
||||||
|
break;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
s = beta * s;
|
||||||
|
max_ls_iter += 1;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
if lsiter == max_ls_iter {
|
||||||
|
return Err(Failed::fit(
|
||||||
|
"Exceeded maximum number of iteration for interior point optimizer",
|
||||||
|
));
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
w.copy_from(&neww);
|
||||||
|
u.copy_from(&newu);
|
||||||
|
f.copy_from(&newf);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
Ok(w)
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn sumlogneg(f: &M) -> T {
|
||||||
|
let (n, _) = f.shape();
|
||||||
|
let mut sum = T::zero();
|
||||||
|
for i in 0..n {
|
||||||
|
sum += (-f.get(i, 0)).ln();
|
||||||
|
sum += (-f.get(i, 1)).ln();
|
||||||
|
}
|
||||||
|
sum
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
impl<'a, T: RealNumber, M: Matrix<T>> BiconjugateGradientSolver<T, M>
|
||||||
|
for InteriorPointOptimizer<T, M>
|
||||||
|
{
|
||||||
|
fn solve_preconditioner(&self, a: &M, b: &M, x: &mut M) {
|
||||||
|
let (_, p) = a.shape();
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
x.set(
|
||||||
|
i,
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
(self.d1[i] * b.get(i, 0) - self.d2[i] * b.get(i + p, 0)) / self.prs[i],
|
||||||
|
);
|
||||||
|
x.set(
|
||||||
|
i + p,
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
(-self.d2[i] * b.get(i, 0) + self.prb[i] * b.get(i + p, 0)) / self.prs[i],
|
||||||
|
);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn mat_vec_mul(&self, _: &M, x: &M, y: &mut M) {
|
||||||
|
let (_, p) = self.ata.shape();
|
||||||
|
let atax = self.ata.matmul(&x.slice(0..p, 0..1));
|
||||||
|
|
||||||
|
for i in 0..p {
|
||||||
|
y.set(
|
||||||
|
i,
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
T::two() * atax.get(i, 0) + self.d1[i] * x.get(i, 0) + self.d2[i] * x.get(i + p, 0),
|
||||||
|
);
|
||||||
|
y.set(
|
||||||
|
i + p,
|
||||||
|
0,
|
||||||
|
self.d2[i] * x.get(i, 0) + self.d1[i] * x.get(i + p, 0),
|
||||||
|
);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
fn mat_t_vec_mul(&self, a: &M, x: &M, y: &mut M) {
|
||||||
|
self.mat_vec_mul(a, x, y);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
}
|
||||||
@@ -21,7 +21,9 @@
|
|||||||
//! <script id="MathJax-script" async src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/mathjax@3/es5/tex-mml-chtml.js"></script>
|
//! <script id="MathJax-script" async src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/mathjax@3/es5/tex-mml-chtml.js"></script>
|
||||||
|
|
||||||
pub(crate) mod bg_solver;
|
pub(crate) mod bg_solver;
|
||||||
|
pub mod elasticnet;
|
||||||
pub mod lasso;
|
pub mod lasso;
|
||||||
|
pub(crate) mod lasso_optimizer;
|
||||||
pub mod linear_regression;
|
pub mod linear_regression;
|
||||||
pub mod logistic_regression;
|
pub mod logistic_regression;
|
||||||
pub mod ridge_regression;
|
pub mod ridge_regression;
|
||||||
|
|||||||
Reference in New Issue
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