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


Quelle  zipf.rs   Sprache: unbekannt

 
// Copyright 2021 Developers of the Rand project.
//
// 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 Zeta and related distributions.

use num_traits::Float;
use crate::{Distribution, Standard};
use rand::{Rng, distributions::OpenClosed01};
use core::fmt;

/// Samples integers according to the [zeta distribution].
///
/// The zeta distribution is a limit of the [`Zipf`] distribution. Sometimes it
/// is called one of the following: discrete Pareto, Riemann-Zeta, Zipf, or
/// Zipf–Estoup distribution.
///
/// It has the density function `f(k) = k^(-a) / C(a)` for `k >= 1`, where `a`
/// is the parameter and `C(a)` is the Riemann zeta function.
///
/// # Example
/// ```
/// use rand::prelude::*;
/// use rand_distr::Zeta;
///
/// let val: f64 = thread_rng().sample(Zeta::new(1.5).unwrap());
/// println!("{}", val);
/// ```
///
/// # Remarks
///
/// The zeta distribution has no upper limit. Sampled values may be infinite.
/// In particular, a value of infinity might be returned for the following
/// reasons:
/// 1. it is the best representation in the type `F` of the actual sample.
/// 2. to prevent infinite loops for very small `a`.
///
/// # Implementation details
///
/// We are using the algorithm from [Non-Uniform Random Variate Generation],
/// Section 6.1, page 551.
///
/// [zeta distribution]: https://en.wikipedia.org/wiki/Zeta_distribution
/// [Non-Uniform Random Variate Generation]: https://doi.org/10.1007/978-1-4613-8643-8
#[derive(Clone, Copy, Debug)]
pub struct Zeta<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F>, OpenClosed01: Distribution<F>
{
    a_minus_1: F,
    b: F,
}

/// Error type returned from `Zeta::new`.
#[derive(Clone, Copy, Debug, PartialEq, Eq)]
pub enum ZetaError {
    /// `a <= 1` or `nan`.
    ATooSmall,
}

impl fmt::Display for ZetaError {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
        f.write_str(match self {
            ZetaError::ATooSmall => "a <= 1 or is NaN in Zeta distribution",
        })
    }
}

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

impl<F> Zeta<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F>, OpenClosed01: Distribution<F>
{
    /// Construct a new `Zeta` distribution with given `a` parameter.
    #[inline]
    pub fn new(a: F) -> Result<Zeta<F>, ZetaError> {
        if !(a > F::one()) {
            return Err(ZetaError::ATooSmall);
        }
        let a_minus_1 = a - F::one();
        let two = F::one() + F::one();
        Ok(Zeta {
            a_minus_1,
            b: two.powf(a_minus_1),
        })
    }
}

impl<F> Distribution<F> for Zeta<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F>, OpenClosed01: Distribution<F>
{
    #[inline]
    fn sample<R: Rng + ?Sized>(&self, rng: &mut R) -> F {
        loop {
            let u = rng.sample(OpenClosed01);
            let x = u.powf(-F::one() / self.a_minus_1).floor();
            debug_assert!(x >= F::one());
            if x.is_infinite() {
                // For sufficiently small `a`, `x` will always be infinite,
                // which is rejected, resulting in an infinite loop. We avoid
                // this by always returning infinity instead.
                return x;
            }

            let t = (F::one() + F::one() / x).powf(self.a_minus_1);

            let v = rng.sample(Standard);
            if v * x * (t - F::one()) * self.b <= t * (self.b - F::one()) {
                return x;
            }
        }
    }
}

/// Samples integers according to the Zipf distribution.
///
/// The samples follow Zipf's law: The frequency of each sample from a finite
/// set of size `n` is inversely proportional to a power of its frequency rank
/// (with exponent `s`).
///
/// For large `n`, this converges to the [`Zeta`] distribution.
///
/// For `s = 0`, this becomes a uniform distribution.
///
/// # Example
/// ```
/// use rand::prelude::*;
/// use rand_distr::Zipf;
///
/// let val: f64 = thread_rng().sample(Zipf::new(10, 1.5).unwrap());
/// println!("{}", val);
/// ```
///
/// # Implementation details
///
/// Implemented via [rejection sampling](https://en.wikipedia.org/wiki/Rejection_sampling),
/// due to Jason Crease[1].
///
/// [1]: https://jasoncrease.medium.com/rejection-sampling-the-zipf-distribution-6b359792cffa
#[derive(Clone, Copy, Debug)]
pub struct Zipf<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F> {
    n: F,
    s: F,
    t: F,
    q: F,
}

/// Error type returned from `Zipf::new`.
#[derive(Clone, Copy, Debug, PartialEq, Eq)]
pub enum ZipfError {
    /// `s < 0` or `nan`.
    STooSmall,
    /// `n < 1`.
    NTooSmall,
}

impl fmt::Display for ZipfError {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
        f.write_str(match self {
            ZipfError::STooSmall => "s < 0 or is NaN in Zipf distribution",
            ZipfError::NTooSmall => "n < 1 in Zipf distribution",
        })
    }
}

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

impl<F> Zipf<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F> {
    /// Construct a new `Zipf` distribution for a set with `n` elements and a
    /// frequency rank exponent `s`.
    ///
    /// For large `n`, rounding may occur to fit the number into the float type.
    #[inline]
    pub fn new(n: u64, s: F) -> Result<Zipf<F>, ZipfError> {
        if !(s >= F::zero()) {
            return Err(ZipfError::STooSmall);
        }
        if n < 1 {
            return Err(ZipfError::NTooSmall);
        }
        let n = F::from(n).unwrap();  // This does not fail.
        let q = if s != F::one() {
            // Make sure to calculate the division only once.
            F::one() / (F::one() - s)
        } else {
            // This value is never used.
            F::zero()
        };
        let t = if s != F::one() {
            (n.powf(F::one() - s) - s) * q
        } else {
            F::one() + n.ln()
        };
        debug_assert!(t > F::zero());
        Ok(Zipf {
            n, s, t, q
        })
    }

    /// Inverse cumulative density function
    #[inline]
    fn inv_cdf(&self, p: F) -> F {
        let one = F::one();
        let pt = p * self.t;
        if pt <= one {
            pt
        } else if self.s != one {
            (pt * (one - self.s) + self.s).powf(self.q)
        } else {
            (pt - one).exp()
        }
    }
}

impl<F> Distribution<F> for Zipf<F>
where F: Float, Standard: Distribution<F>
{
    #[inline]
    fn sample<R: Rng + ?Sized>(&self, rng: &mut R) -> F {
        let one = F::one();
        loop {
            let inv_b = self.inv_cdf(rng.sample(Standard));
            let x = (inv_b + one).floor();
            let mut ratio = x.powf(-self.s);
            if x > one {
                ratio = ratio * inv_b.powf(self.s)
            };

            let y = rng.sample(Standard);
            if y < ratio {
                return x;
            }
        }
    }
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    fn test_samples<F: Float + core::fmt::Debug, D: Distribution<F>>(
        distr: D, zero: F, expected: &[F],
    ) {
        let mut rng = crate::test::rng(213);
        let mut buf = [zero; 4];
        for x in &mut buf {
            *x = rng.sample(&distr);
        }
        assert_eq!(buf, expected);
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn zeta_invalid() {
        Zeta::new(1.).unwrap();
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn zeta_nan() {
        Zeta::new(core::f64::NAN).unwrap();
    }

    #[test]
    fn zeta_sample() {
        let a = 2.0;
        let d = Zeta::new(a).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(1);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
    }

    #[test]
    fn zeta_small_a() {
        let a = 1. + 1e-15;
        let d = Zeta::new(a).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(2);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
    }

    #[test]
    fn zeta_value_stability() {
        test_samples(Zeta::new(1.5).unwrap(), 0f32, &[
            1.0, 2.0, 1.0, 1.0,
        ]);
        test_samples(Zeta::new(2.0).unwrap(), 0f64, &[
            2.0, 1.0, 1.0, 1.0,
        ]);
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn zipf_s_too_small() {
        Zipf::new(10, -1.).unwrap();
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn zipf_n_too_small() {
        Zipf::new(0, 1.).unwrap();
    }

    #[test]
    #[should_panic]
    fn zipf_nan() {
        Zipf::new(10, core::f64::NAN).unwrap();
    }

    #[test]
    fn zipf_sample() {
        let d = Zipf::new(10, 0.5).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(2);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
    }

    #[test]
    fn zipf_sample_s_1() {
        let d = Zipf::new(10, 1.).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(2);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
    }

    #[test]
    fn zipf_sample_s_0() {
        let d = Zipf::new(10, 0.).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(2);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
        // TODO: verify that this is a uniform distribution
    }

    #[test]
    fn zipf_sample_large_n() {
        let d = Zipf::new(core::u64::MAX, 1.5).unwrap();
        let mut rng = crate::test::rng(2);
        for _ in 0..1000 {
            let r = d.sample(&mut rng);
            assert!(r >= 1.);
        }
        // TODO: verify that this is a zeta distribution
    }

    #[test]
    fn zipf_value_stability() {
        test_samples(Zipf::new(10, 0.5).unwrap(), 0f32, &[
            10.0, 2.0, 6.0, 7.0
        ]);
        test_samples(Zipf::new(10, 2.0).unwrap(), 0f64, &[
            1.0, 2.0, 3.0, 2.0
        ]);
    }
}

[ Dauer der Verarbeitung: 0.25 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