scipy gaussian_kde 和循环数据

Question

我正在使用 scipys gaussian_kde 来获取一些双峰数据的概率密度。但是，由于我的数据是有角度的（它的方向以度为单位），当值出现在极限附近时我会遇到问题。下面的代码给出了两个示例 kde，当域为 0-360 时，由于它无法处理数据的循环性质，因此估计不足。 pdf 需要在单位圆上定义，但我在 scipy.stats 中找不到适合此类数据的任何内容（存在 von mises 分布，但仅适用于单峰数据）。有没有人以前遇到过这个？是否有任何东西（最好基于 python）可用于估计单位圆上的双峰 pdf？

import numpy as np
import scipy as sp
from pylab import plot,figure,subplot,show,hist
from scipy import stats



baz = np.array([-92.29061004, -85.42607874, -85.42607874, -70.01689348,
               -63.43494882, -63.43494882, -70.01689348, -70.01689348,
               -59.93141718, -63.43494882, -59.93141718, -63.43494882,
               -63.43494882, -63.43494882, -57.52880771, -53.61564818,
               -57.52880771, -63.43494882, -63.43494882, -92.29061004,
               -16.92751306, -99.09027692, -99.09027692, -16.92751306,
               -99.09027692, -16.92751306,  -9.86580694,  -8.74616226,
                -9.86580694,  -8.74616226,  -8.74616226,  -2.20259816,
                -2.20259816,  -2.20259816,  -9.86580694,  -2.20259816,
                -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,
                 4.96974073,   4.96974073,   4.96974073,   4.96974073,
                -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,
                -2.48955292,  -9.86580694,  -9.86580694,  -9.86580694,
               -16.92751306, -19.29004622, -19.29004622, -26.56505118,
               -19.29004622, -19.29004622, -19.29004622, -19.29004622])


xx = np.linspace(-180, 180, 181)
scipy_kde = stats.gaussian_kde(baz)              
print scipy_kde.integrate_box_1d(-180,180)

figure()
plot(xx, scipy_kde(xx), c='green')             

baz[baz<0] += 360             
xx = np.linspace(0, 360, 181)
scipy_kde = stats.gaussian_kde(baz)              
print scipy_kde.integrate_box_1d(-180,180)
plot(xx, scipy_kde(xx), c='red')             

Answer 1

这是@kingjr 更准确答案的快速近似：

def vonmises_pdf(x, mu, kappa):
    return np.exp(kappa * np.cos(x - mu)) / (2. * np.pi * scipy.special.i0(kappa))


def vonmises_fft_kde(data, kappa, n_bins):
    bins = np.linspace(-np.pi, np.pi, n_bins + 1, endpoint=True)
    hist_n, bin_edges = np.histogram(data, bins=bins)
    bin_centers = np.mean([bin_edges[1:], bin_edges[:-1]], axis=0)
    kernel = vonmises_pdf(
        x=bin_centers,
        mu=0,
        kappa=kappa
    )
    kde = np.fft.fftshift(np.fft.irfft(np.fft.rfft(kernel) * np.fft.rfft(hist_n)))
    kde /= np.trapz(kde, x=bin_centers)
    return bin_centers, kde

测试（使用 tqdm 进行进度条和计时，使用 matplotlib 验证结果）：

import numpy as np
from tqdm import tqdm
import scipy.stats
import matplotlib.pyplot as plt

n_runs = 1000
n_bins = 100
kappa = 10

for _ in tqdm(xrange(n_runs)):
    bins1, kde1 = vonmises_kde(
        data=np.r_[
            np.random.vonmises(-1, 5, 1000),
            np.random.vonmises(2, 10, 500),
            np.random.vonmises(3, 20, 100)
        ],
        kappa=kappa,
        n_bins=n_bins
    )


for _ in tqdm(xrange(n_runs)):
    bins2, kde2 = vonmises_fft_kde(
        data=np.r_[
            np.random.vonmises(-1, 5, 1000),
            np.random.vonmises(2, 10, 500),
            np.random.vonmises(3, 20, 100)
        ],
        kappa=kappa,
        n_bins=n_bins
    )

plt.figure()
plt.plot(bins1, kde1, label="kingjr's solution")
plt.plot(bins2, kde2, label="dolf's FFT solution")
plt.legend()
plt.show()

结果：

100%|██████████| 1000/1000 [00:07<00:00, 135.29it/s]
100%|██████████| 1000/1000 [00:00<00:00, 1945.14it/s]

（1945 / 135 = 快 14 倍）

要获得更快的速度，请使用 2 的整数幂作为 bin 的数量。它还可以更好地扩展（即它可以在许多 bin 和大量数据的情况下保持快速）。在我的电脑上，它比 n_bins=1024 的原始答案快 118 倍。

为什么有效？

两个信号的 FFT 的乘积（没有零填充）等于两个信号的circular (or cyclic) convolution。 kernel density estimation 基本上是一个内核与一个在每个数据点的位置具有脉冲的信号进行卷积。

为什么不准确？

由于我使用直方图来均匀分布数据，因此我丢失了每个样本的确切位置，并且只使用了它所属的 bin 的中心。每个 bin 中的样本数用作该点的脉冲幅度。 例如：暂时忽略标准化，如果您有一个从 0 到 1 的 bin，并且该 bin 中有两个样本，分别为 0.1 和 0.2，exact KDE 将为the kernel centred around 0.1 +the kernel centred around 0.2。近似值为 2x `以 0.5 为中心的内核，即 bin 的中心。

Answer 2

Dave 的回答不正确，因为scipy 的vonmises 没有环绕[-pi, pi]。

相反，您可以使用基于相同原理的以下代码。它基于numpy 中描述的方程式。

def vonmises_kde(data, kappa, n_bins=100):
    from scipy.special import i0
    bins = np.linspace(-np.pi, np.pi, n_bins)
    x = np.linspace(-np.pi, np.pi, n_bins)
    # integrate vonmises kernels
    kde = np.exp(kappa*np.cos(x[:, None]-data[None, :])).sum(1)/(2*np.pi*i0(kappa))
    kde /= np.trapz(kde, x=bins)
    return bins, kde

这是一个例子

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from numpy.random import vonmises

# generate complex circular distribution
data = np.r_[vonmises(-1, 5, 1000), vonmises(2, 10, 500), vonmises(3, 20, 100)]

# plot data histogram
fig, axes = plt.subplots(2, 1)
axes[0].hist(data, 100)

# plot kernel density estimates
x, kde = vonmises_kde(data, 20)
axes[1].plot(x, kde)

Histogram and kernel density plots

Answer 3

所以我有一个我认为合理的解决方案。基本上，我使用 Von Mises 分布作为核密度估计的基函数。代码如下，以防对其他人有用。

def vonmises_KDE(data, kappa, plot=None):       

    """    
    Create a kernal densisity estimate of circular data using the von mises 
    distribution as the basis function.

    """

    # imports
    from scipy.stats import vonmises
    from scipy.interpolate import interp1d

    # convert to radians
    data = np.radians(data)

    # set limits for von mises
    vonmises.a = -np.pi
    vonmises.b = np.pi
    x_data = np.linspace(-np.pi, np.pi, 100)

    kernels = []

    for d in data:

        # Make the basis function as a von mises PDF
        kernel = vonmises(kappa, loc=d)
        kernel = kernel.pdf(x_data)
        kernels.append(kernel)

        if plot:
            # For plotting
            kernel /= kernel.max()
            kernel *= .2
            plt.plot(x_data, kernel, "grey", alpha=.5)


    vonmises_kde = np.sum(kernels, axis=0)
    vonmises_kde = vonmises_kde / np.trapz(vonmises_kde, x=x_data)
    f = interp1d( x_data, vonmises_kde )


    if plot:
        plt.plot(x_data, vonmises_kde, c='red')  

    return x_data, vonmises_kde, f

baz = np.array([-92.29061004, -85.42607874, -85.42607874, -70.01689348,
               -63.43494882, -63.43494882, -70.01689348, -70.01689348,
               -59.93141718, -63.43494882, -59.93141718, -63.43494882,
               -63.43494882, -63.43494882, -57.52880771, -53.61564818,
               -57.52880771, -63.43494882, -63.43494882, -92.29061004,
               -16.92751306, -99.09027692, -99.09027692, -16.92751306,
               -99.09027692, -16.92751306,  -9.86580694,  -8.74616226,
                -9.86580694,  -8.74616226,  -8.74616226,  -2.20259816,
                -2.20259816,  -2.20259816,  -9.86580694,  -2.20259816,
                -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,
                 4.96974073,   4.96974073,   4.96974073,   4.96974073,
                -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,  -2.48955292,
                -2.48955292,  -9.86580694,  -9.86580694,  -9.86580694,
               -16.92751306, -19.29004622, -19.29004622, -26.56505118,
               -19.29004622, -19.29004622, -19.29004622, -19.29004622])   
kappa = 12
x_data, vonmises_kde, f = vonmises_KDE(baz, kappa, plot=1)