scipy.stat.gaussian_kde()による確率密度推定
scipy.stats のインポート:
>>> from scipy import stats
Gaussian kernel density estimation のためのクラスの定義:
>>> class GaussianKernelDensityEstimation(object): """docstring for GaussianKernelDensityEstimation""" def __init__(self): self.gkde = None def fit(self, X): """docstring for fit""" self.gkde = stats.gaussian_kde(X.T) return self def predict(self, X): return self.gkde.evaluate(X.T)
2次元空間上に乱数を生成:
>>> X = np.random.randn(400,2) # 標準正規分布 N(0,1) に従う乱数を400個 & 2次元 >>> print X # サイズ 400 x 2 [[ -2.58007839e-01 5.48065715e-01] [ 1.38392260e+00 8.88118290e-01] [ -5.54353637e-01 -4.50188476e-01] [ 1.50815543e+00 -8.12178615e-02] [ 6.12684130e-02 -8.58764228e-01] ............................ ............................ [ -6.05231082e-01 6.09153545e-01] [ 8.76175253e-02 1.27423251e+00] [ -2.50029715e+00 4.42584247e-01] [ 7.49176170e-02 1.46820415e+00]]
確率密度の値を得たい点の集合を作る:
>>> xmin, ymin = X.min(axis=0) >>> xmax, ymax = X.max(axis=0) >>> xx = np.linspace(xmin - 0.5, xmax + 0.5, 32) >>> yy = np.linspace(ymin - 0.5, ymax + 0.5, 32) >>> xg, yg = np.meshgrid(xx, yy) >>> grid_coords = np.c_[xg.ravel(), yg.ravel()] >>> print grid_coords [[-4.00812329 -2.66008256] [-3.95031732 -2.66008256] [-3.89251135 -2.66008256] ..., [ 3.21762312 3.69041801] [ 3.27542909 3.69041801] [ 3.33323506 3.69041801]]
確率密度関数の推定:
>> kde = GaussianKernelDensityEstimation() # gaussian kde のオブジェクトを作って >>> kde.fit(X) # ここで確率密度を推定している。 <__main__.GaussianKernelDensityEstimation object at 0xa16042c>
grid_coords に含まれる個々の点における確率密度を求める:
>>> zz = kde.predict(grid_coords) >>> len(grid_coords) # 2次元空間上の点が 1024 1024 >>> len(zz) #当然,それに対応する確率密度の個数も 1024 1024 >>> >>> for i in range(len(grid_coords)): print "%f,%f,%f" %(grid_coords[i][0], grid_coords[i][1], zz[i]) -4.008123,-2.660083,0.000002 -3.771305,-2.660083,0.000004 -3.534487,-2.660083,0.000006 .................... .................... 2.859599,3.690418,0.000000 3.096417,3.690418,0.000000 3.333235,3.690418,0.000000 >>>
上記の結果を3列目(=確率密度)でソートした結果:
0.254601,-0.201824,0.149000 0.254601,0.003031,0.146694 0.017783,-0.201824,0.146501 0.017783,0.003031,0.144133 .................... .................... -3.060851,3.280708,0.000000 -3.060851,3.075853,0.000000 -2.824033,3.690418,0.000000
原点周辺での確率密度が大きくなっているようだ。
原点における確率密度を求めると
>>> Y = np.array([[0.0,0.0]]) >>> Y array([[ 0., 0.]]) >>> kde.predict(Y) array([ 0.14375202])
サンプル数(= X のサイズ)が少ないため,原点に近いからといって最大となっていない。
ちょっと悔しいから,
50,000個のサンプルを与えて原点およびその周辺の点における確率密度を求めた。
原点から遠ざかるほど確率密度が小さくなり,原点から等距離にある4つの点での密度がほぼ等しく収束していることが分かる。
>>> X = np.random.randn(50000,2) >>> kde = GaussianKernelDensityEstimation() >>> kde.fit(X) <__main__.GaussianKernelDensityEstimation object at 0xa16b22c> >>> Y = np.array([[0.0,0.0]]) >>> kde.predict(Y) array([ 0.14903213]) >>> Y = np.array([[1,0], [-1,0], [0,1], [0,-1]]) >>> kde.predict(Y) array([ 0.09236879, 0.09647149, 0.09689293, 0.09497972]) >>> Y = np.array([[2,0], [-2,0], [0,2], [0,-2]]) >>> kde.predict(Y) array([ 0.0223722 , 0.02150799, 0.0207469 , 0.02212046])