【问题标题】:PyMC3- Custom theano Op to do numerical integrationPyMC3-自定义 theano Op 进行数值积分
【发布时间】:2018-01-04 11:29:37
【问题描述】:

我正在使用 PyMC3 使用必须定义的特定似然函数进行参数估计。我搜索了一下,发现我应该使用densitydist 方法来实现用户定义的似然函数,但它不起作用。如何在 PyMC3 中加入用户定义的似然函数并找出我的模型的最大 posteriori (MAP) 估计值?我的代码如下。这里L 是我的似然函数的解析形式。我有一些关于某些物体的径向速度(vr)和位置(r)的观测数据,这些数据是从 excel 文件中导入的。

data_ = np.array(pandas.read_excel('aaa.xlsx',header=None))
gamma=3.77;
G = 4.302*10**-6;
rmin = 3.0;
R = 95.7;
vr=data_[:,1];
r= data_[:,0];
h= np.pi;

class integrateOut(theano.Op):
 def __init__(self,f,t,t0,tf,*args,**kwargs):
    super(integrateOut,self).__init__()
    self.f = f
    self.t = t
    self.t0 = t0
    self.tf = tf

 def make_node(self,*inputs):
    self.fvars=list(inputs)

    try:
        self.gradF = tt.grad(self.f,self.fvars)
    except:
        self.gradF = None
    return theano.Apply(self,self.fvars,[tt.dscalar().type()])

 def perform(self,node, inputs, output_storage):

    args = tuple(inputs)
    f = theano.function([self.t]+self.fvars,self.f)
    output_storage[0][0] = quad(f,self.t0,self.tf,args=args)[0]

 def grad(self,inputs,grads):
    return [integrateOut(g,self.t,self.t0,self.tf)(*inputs)*grads[0] \
        for g in self.gradF] 

basic_model = pm.Model()
with basic_model:
   M=[]
   beta=[]
   interval=0.01*10**12
   M=pm.Uniform('M', 
               lower=0.5*10**12,upper=3.50*10**12,transform='interval')
   beta=pm.Uniform('beta',lower=2.001,upper=2.999,transform='interval')
   gamma=3.77
   logp=[]
   arr=[]
   vnew=[]
   rnew=[]
   theta = tt.scalar('theta')
   beta = tt.scalar('beta')
   z = tt.cos(theta)**(2*( (gamma/(beta - 2)) - 3/2) + 3)    
   intZ = integrateOut(z,theta,-(np.pi)/2,(np.pi)/2)(beta)
   gradIntZ = tt.grad(intZ,[beta])
   funcIntZ = theano.function([beta],intZ)
   funcGradIntZ = theano.function([beta],gradIntZ)  
   for j in np.arange(0,59,1):
     vnew.append(vr[j]+(0.05*vr[j]*float(dm.Decimal(rm.randrange(1, 
     20))/10)));
     rnew.append(r[j]+(0.05*r[j]*float(dm.Decimal(rm.randrange(1, 
     20))/10)));
   vn=np.array(vnew)
   rn=np.array(rnew)
   for beta in np.arange (2.01,2.99,0.01):
     for M in np.arange (0.5,2.50,0.01):
         i=np.arange(0,59,1)
         q =( gamma/(beta - 2)) - 3/2
         B = (G*M*10**12)/((beta -2 )*( R**(3 - beta)))
         K = (gamma - 3)/((rmin**(3 - gamma))*funcIntZ(beta)*m.sqrt(2*B))
         logp= -np.log(K*((1 -(( 1/(2*B) )*((vn[i]**2)*rn[i]**(beta - 
                          2))))**(q+1))*(rn[i]**(1-gamma +(beta/2))))
         arr.append(logp.sum())
   def logp_func(rn,vn):
      return min(np.array(arr))  
   logpvar = pm.DensityDist("logpvar", logp_func, observed={"rn": rn,"vn":vn})
    start = pm.find_MAP(model=basic_model)
    step = pm.Metropolis()
    basicmodeltrace = pm.sample(10000, step=step, 
    start=start,random_seed=1,progressbar=True)
    print(pm.summary(basicmodeltrace))
    map_estimate = pm.find_MAP(model=basic_model)
    print(map_estimate)

我收到以下错误消息:

 ValueError: Cannot compute test value: input 0 (theta) of Op 
 Elemwise{cos,no_inplace}(theta) missing default value.  
 Backtrace when that variable is created:

由于数值积分不起作用,我无法获得输出。我已将自定义 theano op 用于从 Custom Theano Op to do numerical integration 获得的数值积分代码。如果我单独运行它并输入特定的 beta 值,但不在模型内,则集成有效。

【问题讨论】:

  • 你能发布一个完整的工作示例吗?你真的想要一个 MAP,你为什么不直接使用pm.sample() 并获得一个完整的后部?
  • @aloctavodia 先生,我对我的代码进行了一些编辑,并发布了一个完整的工作示例。我的 logp 问题已解决,但我无法获得准确的参数估计。
  • 我无权访问文件 'aaa.xlsx',因此我无法运行您的模型。如果你只是通过basicmodeltrace = pm.sample(1000) 运行你的模型,你会得到什么。你为什么使用均匀分布作为先验?除非统一先验的边界具有某种物理意义,否则使用具有大方差的高斯通常是更好的选择。
  • 这实际上是天体物理学中的一个问题,它为统一先验强加了物理意义。我已经使用 'basicmodeltrace = pm.sample(1000)' 运行了模型。我得到与以前相同的结果。我无法获取对应于 logp 最小值的 M 和 beta。 M 数组和 beta 数组只是边界值的平均值。即使我注释掉似然函数部分,我也会得到相同的输出,除了 logp 的值。那么这是否意味着先验没有输入似然函数? M 和 beta 的 for 循环是否必要? @aloctavodia
  • 对不起,我之前没有注意到这一点,但你不必循环 M 和 beta。您必须让 PyMC3 对 M 和 beta 的值进行采样(而不是像您那样执行网格搜索)。此外,您的 logp_func 应该返回 tt.sum(logp) (您不必计算 min)。检查this 示例。此外,您可能需要将 np.log 替换为 tt.log 并将 m.sqrt(2*B) 替换为 (2*B)**0.5。

标签: python-3.x python-2.7 pymc pymc3


【解决方案1】:

我对您的代码进行了一些更改,但这仍然不起作用,但我希望它更接近解决方案。请check this thread,因为有人正在尝试解决本质上相同的问题。

class integrateOut(theano.Op):
    def __init__(self, f, t, t0, tf,*args, **kwargs):
        super(integrateOut,self).__init__()
        self.f = f
        self.t = t
        self.t0 = t0
        self.tf = tf

    def make_node(self, *inputs):
        self.fvars=list(inputs)
        try:
            self.gradF = tt.grad(self.f, self.fvars)
        except:
            self.gradF = None
        return theano.Apply(self, self.fvars, [tt.dscalar().type()])

    def perform(self,node, inputs, output_storage):

        args = tuple(inputs)
        f = theano.function([self.t] + self.fvars,self.f)
        output_storage[0][0] = quad(f, self.t0, self.tf, args=args)[0]

    def grad(self,inputs,grads):
        return [integrateOut(g, self.t, self.t0, self.tf)(*inputs)*grads[0] \
                for g in self.gradF]


gamma = 3.77
G = 4.302E-6
rmin = 3.0
R = 95.7
vr = data[:,1]
r = data[:,0]
h = np.pi
interval =  1E10

vnew = []
rnew = []
for j in np.arange(0,59,1):
    vnew.append(vr[j]+(0.05*vr[j] * float(dm.Decimal(rm.randrange(1, 20))/10)))
    rnew.append(r[j]+(0.05*r[j] * float(dm.Decimal(rm.randrange(1, 20))/10)))
vn = np.array(vnew)
rn = np.array(rnew)

def integ(gamma, beta, theta):
    z = tt.cos(theta)**(2*((gamma/(beta - 2)) - 3/2) + 3)    
    return integrateOut(z, theta, -(np.pi)/2, (np.pi)/2)(beta)

with pm.Model() as basic_model:

    M = pm.Uniform('M', lower=0.5*10**12, upper=3.50*10**12)
    beta = pm.Uniform('beta', lower=2.001, upper=2.999)
    theta = pm.Normal('theta', 0, 10**2)

    def logp_func(rn,vn):
        q = (gamma/(beta - 2)) - 3/2
        B = (G*M*1E12) / ((beta -2 )*(R**(3 - beta)))
        K = (gamma - 3) / ((rmin**(3 - gamma)) * integ(gamma, beta, theta) * (2*B)**0.5)
        logp = - np.log(K*((1 -((1/(2*B))*((vn**2)*rn**(beta - 
                        2))))**(q+1))*(rn**(1-gamma +(beta/2))))
        return logp.sum()

    logpvar = pm.DensityDist("logpvar", logp_func, observed={"rn": rn,"vn":vn})
    start = pm.find_MAP()
    #basicmodeltrace = pm.sample()
    print(start)

【讨论】:

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