Anforderungen  |   Konzepte  |   Entwurf  |   Entwicklung  |   Qualitätssicherung  |   Lebenszyklus  |   Steuerung
 
 
 
 


Quelle  binomial.rs   Sprache: unbekannt

 
// Copyright 2018 Developers of the Rand project.
// Copyright 2016-2017 The Rust Project Developers.
//
// Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
// https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
// <LICENSE-MIT or https://opensource.org/licenses/MIT>, at your
// option. This file may not be copied, modified, or distributed
// except according to those terms.

//! The binomial distribution.

use crate::{Distribution, Uniform};
use rand::Rng;
use core::fmt;
use core::cmp::Ordering;
#[allow(unused_imports)]
use num_traits::Float;

/// The binomial distribution `Binomial(n, p)`.
///
/// This distribution has density function:
/// `f(k) = n!/(k! (n-k)!) p^k (1-p)^(n-k)` for `k >= 0`.
///
/// # Example
///
/// ```
/// use rand_distr::{Binomial, Distribution};
///
/// let bin = Binomial::new(20, 0.3).unwrap();
/// let v = bin.sample(&mut rand::thread_rng());
/// println!("{} is from a binomial distribution", v);
/// ```
#[derive(Clone, Copy, Debug)]
#[cfg_attr(feature = "serde1", derive(serde::Serialize, serde::Deserialize))]
pub struct Binomial {
    /// Number of trials.
    n: u64,
    /// Probability of success.
    p: f64,
}

/// Error type returned from `Binomial::new`.
#[derive(Clone, Copy, Debug, PartialEq, Eq)]
pub enum Error {
    /// `p < 0` or `nan`.
    ProbabilityTooSmall,
    /// `p > 1`.
    ProbabilityTooLarge,
}

impl fmt::Display for Error {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
        f.write_str(match self {
            Error::ProbabilityTooSmall => "p < 0 or is NaN in binomial distribution",
            Error::ProbabilityTooLarge => "p > 1 in binomial distribution",
        })
    }
}

#[cfg(feature = "std")]
#[cfg_attr(doc_cfg, doc(cfg(feature = "std")))]
impl std::error::Error for Error {}

impl Binomial {
    /// Construct a new `Binomial` with the given shape parameters `n` (number
    /// of trials) and `p` (probability of success).
    pub fn new(n: u64, p: f64) -> Result<Binomial, Error> {
        if !(p >= 0.0) {
            return Err(Error::ProbabilityTooSmall);
        }
        if !(p <= 1.0) {
            return Err(Error::ProbabilityTooLarge);
        }
        Ok(Binomial { n, p })
    }
}

/// Convert a `f64` to an `i64`, panicking on overflow.
fn f64_to_i64(x: f64) -> i64 {
    assert!(x < (core::i64::MAX as f64));
    x as i64
}

impl Distribution<u64> for Binomial {
    #[allow(clippy::many_single_char_names)] // Same names as in the reference.
    fn sample<R: Rng + ?Sized>(&self, rng: &mut R) -> u64 {
        // Handle these values directly.
        if self.p == 0.0 {
            return 0;
        } else if self.p == 1.0 {
            return self.n;
        }

        // The binomial distribution is symmetrical with respect to p -> 1-p,
        // k -> n-k switch p so that it is less than 0.5 - this allows for lower
        // expected values we will just invert the result at the end
        let p = if self.p <= 0.5 { self.p } else { 1.0 - self.p };

        let result;
        let q = 1. - p;

        // For small n * min(p, 1 - p), the BINV algorithm based on the inverse
        // transformation of the binomial distribution is efficient. Otherwise,
        // the BTPE algorithm is used.
        //
        // Voratas Kachitvichyanukul and Bruce W. Schmeiser. 1988. Binomial
        // random variate generation. Commun. ACM 31, 2 (February 1988),
        // 216-222. http://dx.doi.org/10.1145/42372.42381

        // Threshold for preferring the BINV algorithm. The paper suggests 10,
        // Ranlib uses 30, and GSL uses 14.
        const BINV_THRESHOLD: f64 = 10.;

        if (self.n as f64) * p < BINV_THRESHOLD && self.n <= (core::i32::MAX as u64) {
            // Use the BINV algorithm.
            let s = p / q;
            let a = ((self.n + 1) as f64) * s;
            let mut r = q.powi(self.n as i32);
            let mut u: f64 = rng.gen();
            let mut x = 0;
            while u > r as f64 {
                u -= r;
                x += 1;
                r *= a / (x as f64) - s;
            }
            result = x;
        } else {
            // Use the BTPE algorithm.

            // Threshold for using the squeeze algorithm. This can be freely
            // chosen based on performance. Ranlib and GSL use 20.
            const SQUEEZE_THRESHOLD: i64 = 20;

            // Step 0: Calculate constants as functions of `n` and `p`.
            let n = self.n as f64;
            let np = n * p;
            let npq = np * q;
            let f_m = np + p;
            let m = f64_to_i64(f_m);
            // radius of triangle region, since height=1 also area of region
            let p1 = (2.195 * npq.sqrt() - 4.6 * q).floor() + 0.5;
            // tip of triangle
            let x_m = (m as f64) + 0.5;
            // left edge of triangle
            let x_l = x_m - p1;
            // right edge of triangle
            let x_r = x_m + p1;
            let c = 0.134 + 20.5 / (15.3 + (m as f64));
            // p1 + area of parallelogram region
            let p2 = p1 * (1. + 2. * c);

            fn lambda(a: f64) -> f64 {
                a * (1. + 0.5 * a)
            }

            let lambda_l = lambda((f_m - x_l) / (f_m - x_l * p));
            let lambda_r = lambda((x_r - f_m) / (x_r * q));
            // p1 + area of left tail
            let p3 = p2 + c / lambda_l;
            // p1 + area of right tail
            let p4 = p3 + c / lambda_r;

            // return value
            let mut y: i64;

            let gen_u = Uniform::new(0., p4);
            let gen_v = Uniform::new(0., 1.);

            loop {
                // Step 1: Generate `u` for selecting the region. If region 1 is
                // selected, generate a triangularly distributed variate.
                let u = gen_u.sample(rng);
                let mut v = gen_v.sample(rng);
                if !(u > p1) {
                    y = f64_to_i64(x_m - p1 * v + u);
                    break;
                }

                if !(u > p2) {
                    // Step 2: Region 2, parallelograms. Check if region 2 is
                    // used. If so, generate `y`.
                    let x = x_l + (u - p1) / c;
                    v = v * c + 1.0 - (x - x_m).abs() / p1;
                    if v > 1. {
                        continue;
                    } else {
                        y = f64_to_i64(x);
                    }
                } else if !(u > p3) {
                    // Step 3: Region 3, left exponential tail.
                    y = f64_to_i64(x_l + v.ln() / lambda_l);
                    if y < 0 {
                        continue;
                    } else {
                        v *= (u - p2) * lambda_l;
                    }
                } else {
                    // Step 4: Region 4, right exponential tail.
                    y = f64_to_i64(x_r - v.ln() / lambda_r);
                    if y > 0 && (y as u64) > self.n {
                        continue;
                    } else {
                        v *= (u - p3) * lambda_r;
                    }
                }

                // Step 5: Acceptance/rejection comparison.

                // Step 5.0: Test for appropriate method of evaluating f(y).
                let k = (y - m).abs();
                if !(k > SQUEEZE_THRESHOLD && (k as f64) < 0.5 * npq - 1.) {
                    // Step 5.1: Evaluate f(y) via the recursive relationship. Start the
                    // search from the mode.
                    let s = p / q;
                    let a = s * (n + 1.);
                    let mut f = 1.0;
                    match m.cmp(&y) {
                        Ordering::Less => {
                            let mut i = m;
                            loop {
                                i += 1;
                                f *= a / (i as f64) - s;
                                if i == y {
                                    break;
                                }
                            }
                        },
                        Ordering::Greater => {
                            let mut i = y;
                            loop {
                                i += 1;
                                f /= a / (i as f64) - s;
                                if i == m {
                                    break;
                                }
                            }
                        },
                        Ordering::Equal => {},
                    }
                    if v > f {
                        continue;
                    } else {
                        break;
                    }
                }

                // Step 5.2: Squeezing. Check the value of ln(v) against upper and
                // lower bound of ln(f(y)).
                let k = k as f64;
                let rho = (k / npq) * ((k * (k / 3. + 0.625) + 1. / 6.) / npq + 0.5);
                let t = -0.5 * k * k / npq;
                let alpha = v.ln();
                if alpha < t - rho {
                    break;
                }
                if alpha > t + rho {
                    continue;
                }

                // Step 5.3: Final acceptance/rejection test.
                let x1 = (y + 1) as f64;
                let f1 = (m + 1) as f64;
                let z = (f64_to_i64(n) + 1 - m) as f64;
                let w = (f64_to_i64(n) - y + 1) as f64;

                fn stirling(a: f64) -> f64 {
                    let a2 = a * a;
                    (13860. - (462. - (132. - (99. - 140. / a2) / a2) / a2) / a2) / a / 166320.
                }

                if alpha
                    > x_m * (f1 / x1).ln()
                        + (n - (m as f64) + 0.5) * (z / w).ln()
                        + ((y - m) as f64) * (w * p / (x1 * q)).ln()
                        // We use the signs from the GSL implementation, which are
                        // different than the ones in the reference. According to
                        // the GSL authors, the new signs were verified to be
                        // correct by one of the original designers of the
                        // algorithm.
                        + stirling(f1)
                        + stirling(z)
                        - stirling(x1)
                        - stirling(w)
                {
                    continue;
                }

                break;
            }
            assert!(y >= 0);
            result = y as u64;
        }

        // Invert the result for p < 0.5.
        if p != self.p {
            self.n - result
        } else {
            result
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod test {
    use super::Binomial;
    use crate::Distribution;
    use rand::Rng;

    fn test_binomial_mean_and_variance<R: Rng>(n: u64, p: f64, rng: &mut R) {
        let binomial = Binomial::new(n, p).unwrap();

        let expected_mean = n as f64 * p;
        let expected_variance = n as f64 * p * (1.0 - p);

        let mut results = [0.0; 1000];
        for i in results.iter_mut() {
            *i = binomial.sample(rng) as f64;
        }

        let mean = results.iter().sum::<f64>() / results.len() as f64;
        assert!((mean as f64 - expected_mean).abs() < expected_mean / 50.0);

        let variance =
            results.iter().map(|x| (x - mean) * (x - mean)).sum::<f64>() / results.len() as f64;
        assert!((variance - expected_variance).abs() < expected_variance / 10.0);
    }

    #[test]
    fn test_binomial() {
        let mut rng = crate::test::rng(351);
        test_binomial_mean_and_variance(150, 0.1, &mut rng);
        test_binomial_mean_and_variance(70, 0.6, &mut rng);
        test_binomial_mean_and_variance(40, 0.5, &mut rng);
        test_binomial_mean_and_variance(20, 0.7, &mut rng);
        test_binomial_mean_and_variance(20, 0.5, &mut rng);
    }

    #[test]
    fn test_binomial_end_points() {
        let mut rng = crate::test::rng(352);
        assert_eq!(rng.sample(Binomial::new(20, 0.0).unwrap()), 0);
        assert_eq!(rng.sample(Binomial::new(20, 1.0).unwrap()), 20);
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn test_binomial_invalid_lambda_neg() {
        Binomial::new(20, -10.0).unwrap();
    }
}

[ Dauer der Verarbeitung: 0.28 Sekunden  (vorverarbeitet)  ]

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     


Neuigkeiten

     Aktuelles
     Motto des Tages

Software

     Produkte
     Quellcodebibliothek

Aktivitäten

     Artikel über Sicherheit
     Anleitung zur Aktivierung von SSL

Muße

     Gedichte
     Musik
     Bilder

Jenseits des Üblichen ....
    

Besucherstatistik

Besucherstatistik

Monitoring

Montastic status badge