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如果可能的话,有谁知道在 Python 中计算经验/样本协变函数的好方法?

这是一本书的屏幕截图,其中包含协方差图的良好定义:

在此处输入图像描述

如果我理解正确,对于给定的滞后/宽度 h,我应该得到由 h(或小于 h)分隔的所有点对,乘以它的值,然后对于这些点中的每一个,计算它的平均值,在这种情况下,定义为 m(x_i)。但是,根据 m(x_{i}) 的定义,如果我想计算 m(x1),我需要获得距离 x1 距离 h 内的值的平均值。这看起来像一个非常密集的计算。

首先,我是否正确理解这一点?如果是这样,假设二维空间计算这个的好方法是什么?我尝试用 Python 编写代码(使用 numpy 和 pandas),但这需要几秒钟,我什至不确定它是否正确,这就是为什么我不会在此处发布代码的原因。这是另一个非常天真的实现的尝试:

from scipy.spatial.distance import pdist, squareform
distances = squareform(pdist(np.array(coordinates))) # coordinates is a nx2 array
z = np.array(z) # z are the values
cutoff = np.max(distances)/3.0 # somewhat arbitrary cutoff
width = cutoff/15.0
widths = np.arange(0, cutoff + width, width)
Z = []
Cov = []

for w in np.arange(len(widths)-1): # for each width
    # for each pairwise distance
    for i in np.arange(distances.shape[0]): 
        for j in np.arange(distances.shape[1]): 
            if distances[i, j] <= widths[w+1] and distances[i, j] > widths[w]:
                m1 = []
                m2 = []
                # when a distance is within a given width, calculate the means of
                # the points involved
                for x in np.arange(distances.shape[1]):
                    if distances[i,x] <= widths[w+1] and distances[i, x] > widths[w]:
                        m1.append(z[x])

                for y in np.arange(distances.shape[1]):
                    if distances[j,y] <= widths[w+1] and distances[j, y] > widths[w]:
                        m2.append(z[y])

                mean_m1 = np.array(m1).mean() 
                mean_m2 = np.array(m2).mean()
                Z.append(z[i]*z[j] - mean_m1*mean_m2)
    Z_mean = np.array(Z).mean() # calculate covariogram for width w
    Cov.append(Z_mean) # collect covariances for all widths

但是,现在我已经确认我的代码中有错误。我知道,因为我使用变异函数来计算协变异函数(covariogram(h) = covariogram(0) - variogram(h)),我得到了一个不同的图:

在此处输入图像描述

它应该看起来像这样:

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最后,如果您知道用于计算经验协变函数的 Python/R/MATLAB 库,请告诉我。至少,这样我可以验证我做了什么。

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可以使用scipy.cov,但如果直接进行计算(这很容易),还有更多方法可以加快计算速度。

首先,制作一些具有空间相关性的假数据。我将首先建立空间相关性,然后使用使用它生成的随机数据点,其中数据根据底层地图定位,并采用底层地图的值。

编辑 1:
我更改了数据点生成器,因此位置完全是随机的,但 z 值与空间图成正比。而且,我更改了地图,使左侧和右侧相对于彼此移动,从而在大范围内产生负相关h

from numpy import *
import random
import matplotlib.pyplot as plt

S = 1000
N = 900
# first, make some fake data, with correlations on two spatial scales
#     density map
x = linspace(0, 2*pi, S)
sx = sin(3*x)*sin(10*x)
density = .8* abs(outer(sx, sx))
density[:,:S//2] += .2
#     make a point cloud motivated by this density
random.seed(10)  # so this can be repeated
points = []
while len(points)<N:
    v, ix, iy = random.random(), random.randint(0,S-1), random.randint(0,S-1)
    if True: #v<density[ix,iy]:
        points.append([ix, iy, density[ix,iy]])
locations = array(points).transpose()
print locations.shape
plt.imshow(density, alpha=.3, origin='lower')
plt.plot(locations[1,:], locations[0,:], '.k')
plt.xlim((0,S))
plt.ylim((0,S))
plt.show()
#     build these into the main data: all pairs into distances and z0 z1 values
L = locations
m = array([[math.sqrt((L[0,i]-L[0,j])**2+(L[1,i]-L[1,j])**2), L[2,i], L[2,j]] 
                         for i in range(N) for j in range(N) if i>j])

这使:

在此处输入图像描述

以上只是模拟数据,我没有尝试优化它的生产等。我假设这是 OP 开始的地方,任务如下,因为数据已经存在于真实情况中。


现在计算“协变函数”(这比生成假数据要容易得多,顺便说一句)。这里的想法是按 对所有对和相关值进行排序h,然后使用 对它们进行索引ihvals。也就是说,对 index 求和ihval是等式中的总和N(h),因为这包括所有hs 低于所需值的对。

编辑 2:
正如下面评论中所建议的,N(h)现在只有 and 之间的对h-dh,而不是 and之间h的所有对(其中-值的间距在- 即,下面使用了 S/1000)。0hdhhihvals

# now do the real calculations for the covariogram
#    sort by h and give clear names
i = argsort(m[:,0])  # h sorting
h = m[i,0]
zh = m[i,1]
zsh = m[i,2]
zz = zh*zsh

hvals = linspace(0,S,1000)  # the values of h to use (S should be in the units of distance, here I just used ints)
ihvals = searchsorted(h, hvals)
result = []
for i, ihval in enumerate(ihvals[1:]):
    start, stop = ihvals[i-1], ihval
    N = stop-start
    if N>0:
        mnh = sum(zh[start:stop])/N
        mph = sum(zsh[start:stop])/N
        szz = sum(zz[start:stop])/N
        C = szz-mnh*mph
        result.append([h[ihval], C])
result = array(result)
plt.plot(result[:,0], result[:,1])
plt.grid()
plt.show()

在此处输入图像描述

这对我来说看起来很合理,因为人们可以看到 h 值的预期起伏或低谷,但我没有仔细检查。

这里的主要加速scipy.cov是可以预先计算所有产品zz。否则,每个新的都会输入zhzsh输入,并且所有产品都将重新计算。通过进行部分求和,即在每个时间步从到,可以进一步加快计算速度,但我怀疑这是必要的。covhihvals[n-1]ihvals[n]n

于 2014-06-04T17:49:55.980 回答