النمذجة بايزي مع التوزيع المشترك

عرض على TensorFlow.org تشغيل في Google Colab عرض المصدر على جيثبتحميل دفتر

JointDistributionSequential هو توزيع مثل أدخلت حديثا الدرجة التي تمكن المستخدمين من النموذج سريع نموذج النظرية الافتراضية. يتيح لك ربط توزيعات متعددة معًا ، واستخدام وظيفة lambda لتقديم التبعيات. تم تصميم هذا لبناء نماذج بايزية صغيرة إلى متوسطة الحجم ، بما في ذلك العديد من النماذج الشائعة الاستخدام مثل GLMs ونماذج التأثير المختلط ونماذج الخليط والمزيد. إنه يتيح جميع الميزات الضرورية لسير عمل Bayesian: أخذ عينات تنبؤية مسبقة ، يمكن أن يكون مكونًا إضافيًا لنموذج Bayesian Graphical آخر أو شبكة عصبية أكبر. في هذا Colab، وسوف نعرض بعض الأمثلة على كيفية استخدام JointDistributionSequential لتحقيق يومك ليوم العمل النظرية الافتراضية

التبعيات والمتطلبات

# We will be using ArviZ, a multi-backend Bayesian diagnosis and plotting library
pip3 install -q git+git://github.com/arviz-devs/arviz.git

الاستيراد والإعداد

اجعل الأمور سريعة!

قبل أن نتعمق ، دعنا نتأكد من أننا نستخدم وحدة معالجة الرسومات لهذا العرض التوضيحي.

للقيام بذلك ، حدد "وقت التشغيل" -> "تغيير نوع وقت التشغيل" -> "مسرع الأجهزة" -> "GPU".

سيتحقق المقتطف التالي من أن لدينا حق الوصول إلى وحدة معالجة الرسومات.

if tf.test.gpu_device_name() != '/device:GPU:0':
  print('WARNING: GPU device not found.')
else:
  print('SUCCESS: Found GPU: {}'.format(tf.test.gpu_device_name()))

SUCCESS: Found GPU: /device:GPU:0

توزيع المشترك

ملاحظات: تكون فئة التوزيع هذه مفيدة عندما يكون لديك نموذج بسيط. تعني كلمة "بسيط" الرسوم البيانية المتسلسلة ؛ على الرغم من أن النهج يعمل تقنيًا مع أي PGM بدرجة 255 على الأكثر لعقدة واحدة (لأن وظائف Python يمكن أن تحتوي على هذا العدد الكبير من الوسائط على الأكثر).

والفكرة الأساسية هي أن يكون للمستخدم تحديد قائمة callable الصورة التي تنتج tfp.Distribution الحالات، واحد لكل قمة في حياتهم PGM . و callable سيكون على الأكثر إلى العديد من الحجج كما مؤشره في القائمة. (من أجل راحة المستخدم ، سيتم تمرير الوسيطات بترتيب عكسي للإنشاء.) داخليًا ، سنقوم بـ "السير في الرسم البياني" ببساطة عن طريق تمرير قيمة كل قيمة RV سابقة في كل قابل للاستدعاء. وبذلك علينا أن ننفذ حكم [سلسلة من احتمال] (https://en.wikipedia.org/wiki/Chain القاعدة (احتمال٪ 29 # More_than_two_random_variables): \(p(\{x\}_i^d)=\prod_i^d p(x_i|x_{<i})\).

الفكرة بسيطة جدًا ، حتى مثل كود Python. ها هي الجوهر:

# The chain rule of probability, manifest as Python code.
def log_prob(rvs, xs):
  # xs[:i] is rv[i]'s markov blanket. `[::-1]` just reverses the list.
  return sum(rv(*xs[i-1::-1]).log_prob(xs[i])
             for i, rv in enumerate(rvs))

يمكنك العثور على مزيد من المعلومات من docstring من JointDistributionSequential ، ولكن جوهر هو أن تمرر قائمة توزيعات لتهيئة الدرجة الاولى، وإذا كان بعض التوزيعات في القائمة يعتمد على الانتاج من المنبع توزيع / متغير آخر، كنت مجرد التفاف عليه مع وظيفة لامدا. الآن دعنا نرى كيف يعمل!

(قوي) الانحدار الخطي

من PyMC3 ثيقة GLM: انحدار قوية مع كشف ناشز

احصل على البيانات

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/numpy/core/fromnumeric.py:2495: FutureWarning: Method .ptp is deprecated and will be removed in a future version. Use numpy.ptp instead.
  return ptp(axis=axis, out=out, **kwargs)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/seaborn/axisgrid.py:230: UserWarning: The `size` paramter has been renamed to `height`; please update your code.
  warnings.warn(msg, UserWarning)

بي إن جي

X_np = dfhoggs['x'].values
sigma_y_np = dfhoggs['sigma_y'].values
Y_np = dfhoggs['y'].values

نموذج OLS التقليدي

الآن ، لنقم بإعداد نموذج خطي ، مشكلة بسيطة في التقاطع + انحدار المنحدر:

mdl_ols = tfd.JointDistributionSequential([
    # b0 ~ Normal(0, 1)
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # b1 ~ Normal(0, 1)
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # x ~ Normal(b0+b1*X, 1)
    lambda b1, b0: tfd.Normal(
      # Parameter transformation
      loc=b0 + b1*X_np,
      scale=sigma_y_np)
])

يمكنك بعد ذلك التحقق من الرسم البياني للنموذج لمعرفة التبعية. لاحظ أن x محجوز كاسم من العقدة الأخيرة، وكنت لا تستطيع التأكد بانها حجة لامدا الخاصة بك في نموذج JointDistributionSequential الخاص بك.

mdl_ols.resolve_graph()

(('b0', ()), ('b1', ()), ('x', ('b1', 'b0')))

أخذ العينات من النموذج واضح تمامًا:

mdl_ols.sample()

[<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-0.50225804634794>,
 <tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=0.682740126293564>,
 <tf.Tensor: shape=(20,), dtype=float64, numpy=
 array([-0.33051382,  0.71443618, -1.91085683,  0.89371173, -0.45060957,
        -1.80448758, -0.21357082,  0.07891058, -0.20689721, -0.62690385,
        -0.55225748, -0.11446535, -0.66624497, -0.86913291, -0.93605552,
        -0.83965336, -0.70988597, -0.95813437,  0.15884761, -0.31113434])>]

... الذي يعطي قائمة tf.Tensor. يمكنك توصيله فورًا بوظيفة log_prob لحساب log_prob الخاص بالنموذج:

prior_predictive_samples = mdl_ols.sample()
mdl_ols.log_prob(prior_predictive_samples)

<tf.Tensor: shape=(20,), dtype=float64, numpy=
array([-4.97502846, -3.98544303, -4.37514505, -3.46933487, -3.80688125,
       -3.42907525, -4.03263074, -3.3646366 , -4.70370938, -4.36178501,
       -3.47823735, -3.94641662, -5.76906319, -4.0944128 , -4.39310708,
       -4.47713894, -4.46307881, -3.98802372, -3.83027747, -4.64777082])>

حسنًا ، هناك شيء غير صحيح هنا: يجب أن نحصل على سجل قياسي! في الواقع، يمكن أن نزيد من تحقق لمعرفة ما إذا كان هناك شيء خارج عن طريق استدعاء .log_prob_parts ، الذي يعطي log_prob من كل العقد في النموذج البياني:

mdl_ols.log_prob_parts(prior_predictive_samples)

[<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-0.9699239562734849>,
 <tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-3.459364167569284>,
 <tf.Tensor: shape=(20,), dtype=float64, numpy=
 array([-0.54574034,  0.4438451 ,  0.05414307,  0.95995326,  0.62240687,
         1.00021288,  0.39665739,  1.06465152, -0.27442125,  0.06750311,
         0.95105078,  0.4828715 , -1.33977506,  0.33487533,  0.03618104,
        -0.04785082, -0.03379069,  0.4412644 ,  0.59901066, -0.2184827 ])>]

... تبين أن العقدة الأخيرة لا يتم تقليلها على طول محور / بُعد i! عندما نقوم بالمجموع ، يتم بث المتغيرين الأولين بشكل غير صحيح.

الخدعة هنا هو استخدام tfd.Independent إلى تفسيرها على شكل دفعة (بحيث بقية محور سيتم تخفيض بشكل صحيح):

mdl_ols_ = tfd.JointDistributionSequential([
    # b0
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # b1
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # likelihood
    #   Using Independent to ensure the log_prob is not incorrectly broadcasted
    lambda b1, b0: tfd.Independent(
        tfd.Normal(
            # Parameter transformation
            # b1 shape: (batch_shape), X shape (num_obs): we want result to have
            # shape (batch_shape, num_obs)
            loc=b0 + b1*X_np,
            scale=sigma_y_np),
        reinterpreted_batch_ndims=1
    ),
])

الآن ، دعنا نتحقق من آخر عقدة / توزيع للنموذج ، يمكنك أن ترى أن شكل الحدث قد تم تفسيره بشكل صحيح الآن. علما بأن ذلك قد يستغرق قليلا من التجربة والخطأ للحصول على reinterpreted_batch_ndims الحق، ولكن يمكنك دائما بسهولة طباعة توزيع أو موتر عينات لفحص مزدوج على شكل!

print(mdl_ols_.sample_distributions()[0][-1])
print(mdl_ols.sample_distributions()[0][-1])

tfp.distributions.Independent("JointDistributionSequential_sample_distributions_IndependentJointDistributionSequential_sample_distributions_Normal", batch_shape=[], event_shape=[20], dtype=float64)
tfp.distributions.Normal("JointDistributionSequential_sample_distributions_Normal", batch_shape=[20], event_shape=[], dtype=float64)

prior_predictive_samples = mdl_ols_.sample()
mdl_ols_.log_prob(prior_predictive_samples)  # <== Getting a scalar correctly

<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-2.543425661013286>

باقي JointDistribution* API

mdl_ols_named = tfd.JointDistributionNamed(dict(
    likelihood = lambda b0, b1: tfd.Independent(
        tfd.Normal(
            loc=b0 + b1*X_np,
            scale=sigma_y_np),
        reinterpreted_batch_ndims=1
    ),
    b0         = tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    b1         = tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
))

mdl_ols_named.log_prob(mdl_ols_named.sample())

<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-5.99620966071338>

mdl_ols_named.sample()  # output is a dictionary

{'b0': <tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=0.26364058399428225>,
 'b1': <tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-0.27209402374432207>,
 'likelihood': <tf.Tensor: shape=(20,), dtype=float64, numpy=
 array([ 0.6482155 , -0.39314108,  0.62744764, -0.24587987, -0.20544617,
         1.01465392, -0.04705611, -0.16618702,  0.36410134,  0.3943299 ,
         0.36455291, -0.27822219, -0.24423928,  0.24599518,  0.82731092,
        -0.21983033,  0.56753169,  0.32830481, -0.15713064,  0.23336351])>}

Root = tfd.JointDistributionCoroutine.Root  # Convenient alias.
def model():
  b1 = yield Root(tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.))
  b0 = yield Root(tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.))
  yhat = b0 + b1*X_np
  likelihood = yield tfd.Independent(
        tfd.Normal(loc=yhat, scale=sigma_y_np),
        reinterpreted_batch_ndims=1
    )

mdl_ols_coroutine = tfd.JointDistributionCoroutine(model)
mdl_ols_coroutine.log_prob(mdl_ols_coroutine.sample())

<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-4.566678123520463>

mdl_ols_coroutine.sample()  # output is a tuple

(<tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=0.06811002171170354>,
 <tf.Tensor: shape=(), dtype=float64, numpy=-0.37477064754116807>,
 <tf.Tensor: shape=(20,), dtype=float64, numpy=
 array([-0.91615096, -0.20244718, -0.47840159, -0.26632479, -0.60441105,
        -0.48977789, -0.32422329, -0.44019322, -0.17072643, -0.20666025,
        -0.55932191, -0.40801868, -0.66893181, -0.24134135, -0.50403536,
        -0.51788596, -0.90071876, -0.47382338, -0.34821655, -0.38559724])>)

MLE

ويمكننا الآن القيام بالاستدلال! يمكنك استخدام المُحسِّن للعثور على تقدير الاحتمال الأقصى.

تحديد بعض الوظائف المساعدة

# bfgs and lbfgs currently requries a function that returns both the value and
# gradient re the input.
import functools

def _make_val_and_grad_fn(value_fn):
  @functools.wraps(value_fn)
  def val_and_grad(x):
    return tfp.math.value_and_gradient(value_fn, x)
  return val_and_grad

# Map a list of tensors (e.g., output from JDSeq.sample([...])) to a single tensor
# modify from tfd.Blockwise
from tensorflow_probability.python.internal import dtype_util
from tensorflow_probability.python.internal import prefer_static as ps
from tensorflow_probability.python.internal import tensorshape_util

class Mapper:
  """Basically, this is a bijector without log-jacobian correction."""
  def __init__(self, list_of_tensors, list_of_bijectors, event_shape):
    self.dtype = dtype_util.common_dtype(
        list_of_tensors, dtype_hint=tf.float32)
    self.list_of_tensors = list_of_tensors
    self.bijectors = list_of_bijectors
    self.event_shape = event_shape

  def flatten_and_concat(self, list_of_tensors):
    def _reshape_map_part(part, event_shape, bijector):
      part = tf.cast(bijector.inverse(part), self.dtype)
      static_rank = tf.get_static_value(ps.rank_from_shape(event_shape))
      if static_rank == 1:
        return part
      new_shape = ps.concat([
          ps.shape(part)[:ps.size(ps.shape(part)) - ps.size(event_shape)], 
          [-1]
      ], axis=-1)
      return tf.reshape(part, ps.cast(new_shape, tf.int32))

    x = tf.nest.map_structure(_reshape_map_part,
                              list_of_tensors,
                              self.event_shape,
                              self.bijectors)
    return tf.concat(tf.nest.flatten(x), axis=-1)

  def split_and_reshape(self, x):
    assertions = []
    message = 'Input must have at least one dimension.'
    if tensorshape_util.rank(x.shape) is not None:
      if tensorshape_util.rank(x.shape) == 0:
        raise ValueError(message)
    else:
      assertions.append(assert_util.assert_rank_at_least(x, 1, message=message))
    with tf.control_dependencies(assertions):
      splits = [
          tf.cast(ps.maximum(1, ps.reduce_prod(s)), tf.int32)
          for s in tf.nest.flatten(self.event_shape)
      ]
      x = tf.nest.pack_sequence_as(
          self.event_shape, tf.split(x, splits, axis=-1))
      def _reshape_map_part(part, part_org, event_shape, bijector):
        part = tf.cast(bijector.forward(part), part_org.dtype)
        static_rank = tf.get_static_value(ps.rank_from_shape(event_shape))
        if static_rank == 1:
          return part
        new_shape = ps.concat([ps.shape(part)[:-1], event_shape], axis=-1)
        return tf.reshape(part, ps.cast(new_shape, tf.int32))

      x = tf.nest.map_structure(_reshape_map_part,
                                x, 
                                self.list_of_tensors,
                                self.event_shape,
                                self.bijectors)
    return x

mapper = Mapper(mdl_ols_.sample()[:-1],
                [tfb.Identity(), tfb.Identity()],
                mdl_ols_.event_shape[:-1])

# mapper.split_and_reshape(mapper.flatten_and_concat(mdl_ols_.sample()[:-1]))

@_make_val_and_grad_fn
def neg_log_likelihood(x):
  # Generate a function closure so that we are computing the log_prob
  # conditioned on the observed data. Note also that tfp.optimizer.* takes a 
  # single tensor as input.
  return -mdl_ols_.log_prob(mapper.split_and_reshape(x) + [Y_np])

lbfgs_results = tfp.optimizer.lbfgs_minimize(
    neg_log_likelihood,
    initial_position=tf.zeros(2, dtype=dtype),
    tolerance=1e-20,
    x_tolerance=1e-8
)

b0est, b1est = lbfgs_results.position.numpy()

g, xlims, ylims = plot_hoggs(dfhoggs);
xrange = np.linspace(xlims[0], xlims[1], 100)
g.axes[0][0].plot(xrange, b0est + b1est*xrange, 
                  color='r', label='MLE of OLE model')
plt.legend();

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/numpy/core/fromnumeric.py:2495: FutureWarning: Method .ptp is deprecated and will be removed in a future version. Use numpy.ptp instead.
  return ptp(axis=axis, out=out, **kwargs)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/seaborn/axisgrid.py:230: UserWarning: The `size` paramter has been renamed to `height`; please update your code.
  warnings.warn(msg, UserWarning)

بي إن جي

نموذج نسخة مجمعة و MCMC

في النظرية الافتراضية الاستدلال، ونحن نريد عادة للعمل مع عينات MCMC، كما هو الحال عندما كانت العينات من الخلفية، يمكننا سد لهم في أي وظيفة لتوقعات حساب. ومع ذلك، تتطلب MCMC API لنا لكتابة النماذج التي هي دفعة ودية، ونحن لا يمكن أن تحقق هذا النموذج لدينا هو في الواقع ليست "batchable" عن طريق الاتصال sample([...])

mdl_ols_.sample(5)  # <== error as some computation could not be broadcasted.

في هذه الحالة ، يكون الأمر بسيطًا نسبيًا نظرًا لأن لدينا وظيفة خطية فقط داخل نموذجنا ، لذا فإن توسيع الشكل يجب أن يؤدي إلى الحيلة:

mdl_ols_batch = tfd.JointDistributionSequential([
    # b0
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # b1
    tfd.Normal(loc=tf.cast(0, dtype), scale=1.),
    # likelihood
    #   Using Independent to ensure the log_prob is not incorrectly broadcasted
    lambda b1, b0: tfd.Independent(
        tfd.Normal(
            # Parameter transformation
            loc=b0[..., tf.newaxis] + b1[..., tf.newaxis]*X_np[tf.newaxis, ...],
            scale=sigma_y_np[tf.newaxis, ...]),
        reinterpreted_batch_ndims=1
    ),
])

mdl_ols_batch.resolve_graph()

(('b0', ()), ('b1', ()), ('x', ('b1', 'b0')))

يمكننا مرة أخرى اختبار وتقييم log_prob_parts لإجراء بعض عمليات التحقق:

b0, b1, y = mdl_ols_batch.sample(4)
mdl_ols_batch.log_prob_parts([b0, b1, y])

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1.25230168, -1.45281432, -1.87110061, -1.07665206])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1.07019936, -1.59562117, -2.53387765, -1.01557632])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([ 0.45841406,  2.56829635, -4.84973951, -5.59423992])>]

بعض الملاحظات الجانبية:

  • نريد العمل مع إصدار دُفعات من النموذج لأنه الأسرع لـ MCMC متعدد السلاسل. في الحالات التي لا يمكنك كتابة نموذج كإصدار الدفعي (على سبيل المثال، ونماذج ODE)، يمكنك تعيين وظيفة log_prob باستخدام tf.map_fn لتحقيق التأثير نفسه.
  • الآن mdl_ols_batch.sample() قد لا تعمل كما لدينا قشارة قبل، ونحن لا نستطيع أن نفعل scaler_tensor[:, None] . الحل هنا هو توسيع موتر المتسلق إلى رتبة 1 من التفاف tfd.Sample(..., sample_shape=1) .
  • من الممارسات الجيدة كتابة النموذج كوظيفة بحيث يمكنك تغيير الإعدادات مثل المعلمات الفائقة بسهولة أكبر.
def gen_ols_batch_model(X, sigma, hyperprior_mean=0, hyperprior_scale=1):
  hyper_mean = tf.cast(hyperprior_mean, dtype)
  hyper_scale = tf.cast(hyperprior_scale, dtype)
  return tfd.JointDistributionSequential([
      # b0
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc=hyper_mean, scale=hyper_scale), sample_shape=1),
      # b1
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc=hyper_mean, scale=hyper_scale), sample_shape=1),
      # likelihood
      lambda b1, b0: tfd.Independent(
          tfd.Normal(
              # Parameter transformation
              loc=b0 + b1*X,
              scale=sigma),
          reinterpreted_batch_ndims=1
      ),
  ], validate_args=True)

mdl_ols_batch = gen_ols_batch_model(X_np[tf.newaxis, ...],
                                    sigma_y_np[tf.newaxis, ...])

_ = mdl_ols_batch.sample()
_ = mdl_ols_batch.sample(4)
_ = mdl_ols_batch.sample([3, 4])

# Small helper function to validate log_prob shape (avoid wrong broadcasting)
def validate_log_prob_part(model, batch_shape=1, observed=-1):
  samples = model.sample(batch_shape)
  logp_part = list(model.log_prob_parts(samples))

  # exclude observed node
  logp_part.pop(observed)
  for part in logp_part:
    tf.assert_equal(part.shape, logp_part[-1].shape)

validate_log_prob_part(mdl_ols_batch, 4)

المزيد من عمليات التحقق: مقارنة fucntion log_prob الذي تم إنشاؤه بوظيفة log_prob المكتوبة بخط اليد TFP.

[-227.37899384 -327.10043743 -570.44162789 -702.79808683]
[-227.37899384 -327.10043743 -570.44162789 -702.79808683]

MCMC باستخدام جهاز أخذ العينات No-U-Turn

A المشتركة run_chain وظيفة

nchain = 10
b0, b1, _ = mdl_ols_batch.sample(nchain)
init_state = [b0, b1]
step_size = [tf.cast(i, dtype=dtype) for i in [.1, .1]]
target_log_prob_fn = lambda *x: mdl_ols_batch.log_prob(x + (Y_np, ))

# bijector to map contrained parameters to real
unconstraining_bijectors = [
    tfb.Identity(),
    tfb.Identity(),
]

samples, sampler_stat = run_chain(
    init_state, step_size, target_log_prob_fn, unconstraining_bijectors)

# using the pymc3 naming convention
sample_stats_name = ['lp', 'tree_size', 'diverging', 'energy', 'mean_tree_accept']
sample_stats = {k:v.numpy().T for k, v in zip(sample_stats_name, sampler_stat)}
sample_stats['tree_size'] = np.diff(sample_stats['tree_size'], axis=1)

var_name = ['b0', 'b1']
posterior = {k:np.swapaxes(v.numpy(), 1, 0) 
             for k, v in zip(var_name, samples)}

az_trace = az.from_dict(posterior=posterior, sample_stats=sample_stats)

az.plot_trace(az_trace);

بي إن جي

az.plot_forest(az_trace,
               kind='ridgeplot',
               linewidth=4,
               combined=True,
               ridgeplot_overlap=1.5,
               figsize=(9, 4));

بي إن جي

k = 5
b0est, b1est = az_trace.posterior['b0'][:, -k:].values, az_trace.posterior['b1'][:, -k:].values

g, xlims, ylims = plot_hoggs(dfhoggs);
xrange = np.linspace(xlims[0], xlims[1], 100)[None, :]
g.axes[0][0].plot(np.tile(xrange, (k, 1)).T,
                  (np.reshape(b0est, [-1, 1]) + np.reshape(b1est, [-1, 1])*xrange).T,
                  alpha=.25, color='r')
plt.legend([g.axes[0][0].lines[-1]], ['MCMC OLE model']);

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/numpy/core/fromnumeric.py:2495: FutureWarning: Method .ptp is deprecated and will be removed in a future version. Use numpy.ptp instead.
  return ptp(axis=axis, out=out, **kwargs)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/seaborn/axisgrid.py:230: UserWarning: The `size` paramter has been renamed to `height`; please update your code.
  warnings.warn(msg, UserWarning)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:8: MatplotlibDeprecationWarning: cycling among columns of inputs with non-matching shapes is deprecated.

بي إن جي

طريقة الطالب- T

لاحظ أنه من الآن فصاعدًا ، نعمل دائمًا مع الإصدار الدُفعي للنموذج

def gen_studentt_model(X, sigma,
                       hyper_mean=0, hyper_scale=1, lower=1, upper=100):
  loc = tf.cast(hyper_mean, dtype)
  scale = tf.cast(hyper_scale, dtype)
  low = tf.cast(lower, dtype)
  high = tf.cast(upper, dtype)
  return tfd.JointDistributionSequential([
      # b0 ~ Normal(0, 1)
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc, scale), sample_shape=1),
      # b1 ~ Normal(0, 1)
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc, scale), sample_shape=1),
      # df ~ Uniform(a, b)
      tfd.Sample(tfd.Uniform(low, high), sample_shape=1),
      # likelihood ~ StudentT(df, f(b0, b1), sigma_y)
      #   Using Independent to ensure the log_prob is not incorrectly broadcasted.
      lambda df, b1, b0: tfd.Independent(
          tfd.StudentT(df=df, loc=b0 + b1*X, scale=sigma)),
  ], validate_args=True)

mdl_studentt = gen_studentt_model(X_np[tf.newaxis, ...],
                                  sigma_y_np[tf.newaxis, ...])
mdl_studentt.resolve_graph()

(('b0', ()), ('b1', ()), ('df', ()), ('x', ('df', 'b1', 'b0')))

validate_log_prob_part(mdl_studentt, 4)

عينة إلى الأمام (أخذ عينات تنبؤية مسبقة)

b0, b1, df, x = mdl_studentt.sample(1000)
x.shape

TensorShape([1000, 20])

MLE

# bijector to map contrained parameters to real
a, b = tf.constant(1., dtype), tf.constant(100., dtype),

# Interval transformation
tfp_interval = tfb.Inline(
    inverse_fn=(
        lambda x: tf.math.log(x - a) - tf.math.log(b - x)),
    forward_fn=(
        lambda y: (b - a) * tf.sigmoid(y) + a),
    forward_log_det_jacobian_fn=(
        lambda x: tf.math.log(b - a) - 2 * tf.nn.softplus(-x) - x),
    forward_min_event_ndims=0,
    name="interval")

unconstraining_bijectors = [
    tfb.Identity(),
    tfb.Identity(),
    tfp_interval,
]

mapper = Mapper(mdl_studentt.sample()[:-1],
                unconstraining_bijectors,
                mdl_studentt.event_shape[:-1])

@_make_val_and_grad_fn
def neg_log_likelihood(x):
  # Generate a function closure so that we are computing the log_prob
  # conditioned on the observed data. Note also that tfp.optimizer.* takes a 
  # single tensor as input, so we need to do some slicing here:
  return -tf.squeeze(mdl_studentt.log_prob(
      mapper.split_and_reshape(x) + [Y_np]))

lbfgs_results = tfp.optimizer.lbfgs_minimize(
    neg_log_likelihood,
    initial_position=mapper.flatten_and_concat(mdl_studentt.sample()[:-1]),
    tolerance=1e-20,
    x_tolerance=1e-20
)

b0est, b1est, dfest = lbfgs_results.position.numpy()

g, xlims, ylims = plot_hoggs(dfhoggs);
xrange = np.linspace(xlims[0], xlims[1], 100)
g.axes[0][0].plot(xrange, b0est + b1est*xrange, 
                  color='r', label='MLE of StudentT model')
plt.legend();

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/numpy/core/fromnumeric.py:2495: FutureWarning: Method .ptp is deprecated and will be removed in a future version. Use numpy.ptp instead.
  return ptp(axis=axis, out=out, **kwargs)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/seaborn/axisgrid.py:230: UserWarning: The `size` paramter has been renamed to `height`; please update your code.
  warnings.warn(msg, UserWarning)

بي إن جي

MCMC

nchain = 10
b0, b1, df, _ = mdl_studentt.sample(nchain)
init_state = [b0, b1, df]
step_size = [tf.cast(i, dtype=dtype) for i in [.1, .1, .05]]

target_log_prob_fn = lambda *x: mdl_studentt.log_prob(x + (Y_np, ))

samples, sampler_stat = run_chain(
    init_state, step_size, target_log_prob_fn, unconstraining_bijectors, burnin=100)

# using the pymc3 naming convention
sample_stats_name = ['lp', 'tree_size', 'diverging', 'energy', 'mean_tree_accept']
sample_stats = {k:v.numpy().T for k, v in zip(sample_stats_name, sampler_stat)}
sample_stats['tree_size'] = np.diff(sample_stats['tree_size'], axis=1)

var_name = ['b0', 'b1', 'df']
posterior = {k:np.swapaxes(v.numpy(), 1, 0) 
             for k, v in zip(var_name, samples)}

az_trace = az.from_dict(posterior=posterior, sample_stats=sample_stats)

az.summary(az_trace)

az.plot_trace(az_trace);

بي إن جي

az.plot_forest(az_trace,
               kind='ridgeplot',
               linewidth=4,
               combined=True,
               ridgeplot_overlap=1.5,
               figsize=(9, 4));

بي إن جي

plt.hist(az_trace.sample_stats['tree_size'], np.linspace(.5, 25.5, 26), alpha=.5);

بي إن جي

k = 5
b0est, b1est = az_trace.posterior['b0'][:, -k:].values, az_trace.posterior['b1'][:, -k:].values

g, xlims, ylims = plot_hoggs(dfhoggs);
xrange = np.linspace(xlims[0], xlims[1], 100)[None, :]
g.axes[0][0].plot(np.tile(xrange, (k, 1)).T,
                  (np.reshape(b0est, [-1, 1]) + np.reshape(b1est, [-1, 1])*xrange).T,
                  alpha=.25, color='r')
plt.legend([g.axes[0][0].lines[-1]], ['MCMC StudentT model']);

/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/numpy/core/fromnumeric.py:2495: FutureWarning: Method .ptp is deprecated and will be removed in a future version. Use numpy.ptp instead.
  return ptp(axis=axis, out=out, **kwargs)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/seaborn/axisgrid.py:230: UserWarning: The `size` paramter has been renamed to `height`; please update your code.
  warnings.warn(msg, UserWarning)
/usr/local/lib/python3.6/dist-packages/ipykernel_launcher.py:8: MatplotlibDeprecationWarning: cycling among columns of inputs with non-matching shapes is deprecated.

بي إن جي

التجميع الجزئي الهرمي

من PyMC3 البيانات البيسبول 18 لاعبا من إيفرون وموريس (1975)

data = pd.read_table('https://raw.githubusercontent.com/pymc-devs/pymc3/master/pymc3/examples/data/efron-morris-75-data.tsv',
                     sep="\t")
at_bats, hits = data[['At-Bats', 'Hits']].values.T
n = len(at_bats)

def gen_baseball_model(at_bats, rate=1.5, a=0, b=1):
  return tfd.JointDistributionSequential([
    # phi
    tfd.Uniform(low=tf.cast(a, dtype), high=tf.cast(b, dtype)),
    # kappa_log
    tfd.Exponential(rate=tf.cast(rate, dtype)),
    # thetas
    lambda kappa_log, phi: tfd.Sample(
        tfd.Beta(
            concentration1=tf.exp(kappa_log)*phi,
            concentration0=tf.exp(kappa_log)*(1.0-phi)),
        sample_shape=n
    ),
    # likelihood
    lambda thetas: tfd.Independent(
        tfd.Binomial(
            total_count=tf.cast(at_bats, dtype),
            probs=thetas
        )), 
])

mdl_baseball = gen_baseball_model(at_bats)
mdl_baseball.resolve_graph()

(('phi', ()),
 ('kappa_log', ()),
 ('thetas', ('kappa_log', 'phi')),
 ('x', ('thetas',)))

عينة إلى الأمام (أخذ عينات تنبؤية مسبقة)

phi, kappa_log, thetas, y = mdl_baseball.sample(4)
# phi, kappa_log, thetas, y

مرة أخرى ، لاحظ كيف إذا لم تستخدم المستقل ، فسوف ينتهي بك الأمر مع log_prob يحتوي على شكل دُفعي خاطئ.

# check logp
pprint(mdl_baseball.log_prob_parts([phi, kappa_log, thetas, hits]))
print(mdl_baseball.log_prob([phi, kappa_log, thetas, hits]))

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([0., 0., 0., 0.])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([ 0.1721297 , -0.95946498, -0.72591188,  0.23993813])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([59.35192283,  7.0650634 ,  0.83744911, 74.14370935])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-3279.75191016,  -931.10438484,  -512.59197688, -1131.08043597])>]
tf.Tensor([-3220.22785762  -924.99878641  -512.48043966 -1056.69678849], shape=(4,), dtype=float64)

MLE

وهناك ميزة مدهشا من tfp.optimizer هو أنه يمكنك الأمثل بشكل متواز لدفعة ك من نقطة البداية وتحديد stopping_condition kwarg: يمكنك تعيين إلى tfp.optimizer.converged_all لمعرفة ما اذا كانت تجد كل نفس الحد الأدنى، أو tfp.optimizer.converged_any لإيجاد حل المحلي بسرعة.

unconstraining_bijectors = [
    tfb.Sigmoid(),
    tfb.Exp(),
    tfb.Sigmoid(),
]

phi, kappa_log, thetas, y = mdl_baseball.sample(10)

mapper = Mapper([phi, kappa_log, thetas],
                unconstraining_bijectors,
                mdl_baseball.event_shape[:-1])

@_make_val_and_grad_fn
def neg_log_likelihood(x):
  return -mdl_baseball.log_prob(mapper.split_and_reshape(x) + [hits])

start = mapper.flatten_and_concat([phi, kappa_log, thetas])

lbfgs_results = tfp.optimizer.lbfgs_minimize(
    neg_log_likelihood,
    num_correction_pairs=10,
    initial_position=start,
    # lbfgs actually can work in batch as well
    stopping_condition=tfp.optimizer.converged_any,
    tolerance=1e-50,
    x_tolerance=1e-50,
    parallel_iterations=10,
    max_iterations=200
)

lbfgs_results.converged.numpy(), lbfgs_results.failed.numpy()

(array([False, False, False, False, False, False, False, False, False,
        False]),
 array([ True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,
         True]))

result = lbfgs_results.position[lbfgs_results.converged & ~lbfgs_results.failed]
result

<tf.Tensor: shape=(0, 20), dtype=float64, numpy=array([], shape=(0, 20), dtype=float64)>

لم يتقارب LBFGS.

if result.shape[0] > 0:
  phi_est, kappa_est, theta_est = mapper.split_and_reshape(result)
  phi_est, kappa_est, theta_est

MCMC

target_log_prob_fn = lambda *x: mdl_baseball.log_prob(x + (hits, ))

nchain = 4
phi, kappa_log, thetas, _ = mdl_baseball.sample(nchain)
init_state = [phi, kappa_log, thetas]
step_size=[tf.cast(i, dtype=dtype) for i in [.1, .1, .1]]

samples, sampler_stat = run_chain(
    init_state, step_size, target_log_prob_fn, unconstraining_bijectors,
    burnin=200)

# using the pymc3 naming convention
sample_stats_name = ['lp', 'tree_size', 'diverging', 'energy', 'mean_tree_accept']
sample_stats = {k:v.numpy().T for k, v in zip(sample_stats_name, sampler_stat)}
sample_stats['tree_size'] = np.diff(sample_stats['tree_size'], axis=1)

var_name = ['phi', 'kappa_log', 'thetas']
posterior = {k:np.swapaxes(v.numpy(), 1, 0) 
             for k, v in zip(var_name, samples)}

az_trace = az.from_dict(posterior=posterior, sample_stats=sample_stats)

az.plot_trace(az_trace, compact=True);

بي إن جي

az.plot_forest(az_trace,
               var_names=['thetas'],
               kind='ridgeplot',
               linewidth=4,
               combined=True,
               ridgeplot_overlap=1.5,
               figsize=(9, 8));

بي إن جي

نموذج التأثير المختلط (الرادون)

نموذج آخر في وثيقة PyMC3: وهو أول كتاب عن طرق النظرية الافتراضية لمتعدد المستويات النمذجة

بعض التغييرات في السابق (على نطاق أصغر ، إلخ)

تحميل البيانات الخام وتنظيفها

بالنسبة للنماذج ذات التحول المعقد ، فإن تنفيذها بأسلوب وظيفي سيجعل الكتابة والاختبار أسهل بكثير. كما أنه يجعل إنشاء وظيفة log_prob برمجيًا والتي تكون مشروطة (دفعة صغيرة) من البيانات المدخلة أسهل بكثير:

def affine(u_val, x_county, county, floor, gamma, eps, b):
  """Linear equation of the coefficients and the covariates, with broadcasting."""
  return (tf.transpose((gamma[..., 0]
                      + gamma[..., 1]*u_val[:, None]
                      + gamma[..., 2]*x_county[:, None]))
          + tf.gather(eps, county, axis=-1)
          + b*floor)


def gen_radon_model(u_val, x_county, county, floor,
                    mu0=tf.zeros([], dtype, name='mu0')):
  """Creates a joint distribution representing our generative process."""
  return tfd.JointDistributionSequential([
      # sigma_a
      tfd.HalfCauchy(loc=mu0, scale=5.),
      # eps
      lambda sigma_a: tfd.Sample(
          tfd.Normal(loc=mu0, scale=sigma_a), sample_shape=counties),
      # gamma
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc=mu0, scale=100.), sample_shape=3),
      # b
      tfd.Sample(tfd.Normal(loc=mu0, scale=100.), sample_shape=1),
      # sigma_y
      tfd.Sample(tfd.HalfCauchy(loc=mu0, scale=5.), sample_shape=1),
      # likelihood
      lambda sigma_y, b, gamma, eps: tfd.Independent(
          tfd.Normal(
              loc=affine(u_val, x_county, county, floor, gamma, eps, b),
              scale=sigma_y
          ),
          reinterpreted_batch_ndims=1
      ),
  ])

contextual_effect2 = gen_radon_model(
    u.values,  xbar[county], county, floor_measure)

@tf.function(autograph=False)
def unnormalized_posterior_log_prob(sigma_a, gamma, eps, b, sigma_y):
  """Computes `joint_log_prob` pinned at `log_radon`."""
  return contextual_effect2.log_prob(
      [sigma_a, gamma, eps, b, sigma_y, log_radon])

assert [4] == unnormalized_posterior_log_prob(
    *contextual_effect2.sample(4)[:-1]).shape

samples = contextual_effect2.sample(4)
pprint([s.shape for s in samples])

[TensorShape([4]),
 TensorShape([4, 85]),
 TensorShape([4, 3]),
 TensorShape([4, 1]),
 TensorShape([4, 1]),
 TensorShape([4, 919])]

contextual_effect2.log_prob_parts(list(samples)[:-1] + [log_radon])

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-3.95681828, -2.45693443, -2.53310078, -4.7717536 ])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-340.65975204, -217.11139018, -246.50498667, -369.79687704])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-20.49822449, -20.38052557, -18.63843525, -17.83096972])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-5.94765605, -5.91460848, -6.66169402, -5.53894593])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-2.10293999, -4.34186631, -2.10744955, -3.016717  ])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=
 array([-29022322.1413861 ,   -114422.36893361,  -8708500.81752865,
           -35061.92497235])>]

الاستدلال المتغير

واحد ميزة قوية جدا من JointDistribution* هي أنك يمكن أن تولد تقريبي بسهولة لVI. على سبيل المثال ، للقيام بحقل ADVI المتوسط ​​، يمكنك ببساطة فحص الرسم البياني واستبدال جميع التوزيعات التي لم تتم ملاحظتها بالتوزيع العادي.

مينفيلد ADVI

يمكنك أيضا استخدام ميزة experimential في tensorflow_probability / الثعبان / التجريبية / السادس لبناء تقريب التغاير، والتي هي أساسا نفس المنطق المستخدم أدناه (أي باستخدام JointDistribution لبناء التقريب)، ولكن مع الإخراج تقريب في الفضاء الأصلي بدلا من مساحة غير محدودة.

from tensorflow_probability.python.mcmc.transformed_kernel import (
    make_transform_fn, make_transformed_log_prob)

# Wrap logp so that all parameters are in the Real domain
# copied and edited from tensorflow_probability/python/mcmc/transformed_kernel.py
unconstraining_bijectors = [
    tfb.Exp(),
    tfb.Identity(),
    tfb.Identity(),
    tfb.Identity(),
    tfb.Exp()
]

unnormalized_log_prob = lambda *x: contextual_effect2.log_prob(x + (log_radon,))

contextual_effect_posterior = make_transformed_log_prob(
    unnormalized_log_prob,
    unconstraining_bijectors,
    direction='forward',
    # TODO(b/72831017): Disable caching until gradient linkage
    # generally works.
    enable_bijector_caching=False)

# debug
if True:
  # Check the two versions of log_prob - they should be different given the Jacobian
  rv_samples = contextual_effect2.sample(4)

  _inverse_transform = make_transform_fn(unconstraining_bijectors, 'inverse')
  _forward_transform = make_transform_fn(unconstraining_bijectors, 'forward')

  pprint([
      unnormalized_log_prob(*rv_samples[:-1]),
      contextual_effect_posterior(*_inverse_transform(rv_samples[:-1])),
      unnormalized_log_prob(
          *_forward_transform(
              tf.zeros_like(a, dtype=dtype) for a in rv_samples[:-1])
      ),
      contextual_effect_posterior(
          *[tf.zeros_like(a, dtype=dtype) for a in rv_samples[:-1]]
      ),
  ])

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1.73354969e+04, -5.51622488e+04, -2.77754609e+08, -1.09065161e+07])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1.73331358e+04, -5.51582029e+04, -2.77754602e+08, -1.09065134e+07])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1992.10420767, -1992.10420767, -1992.10420767, -1992.10420767])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-1992.10420767, -1992.10420767, -1992.10420767, -1992.10420767])>]

# Build meanfield ADVI for a jointdistribution
# Inspect the input jointdistribution and replace the list of distribution with
# a list of Normal distribution, each with the same shape.
def build_meanfield_advi(jd_list, observed_node=-1):
  """
  The inputted jointdistribution needs to be a batch version
  """
  # Sample to get a list of Tensors
  list_of_values = jd_list.sample(1)  # <== sample([]) might not work

  # Remove the observed node
  list_of_values.pop(observed_node)

  # Iterate the list of Tensor to a build a list of Normal distribution (i.e.,
  # the Variational posterior)
  distlist = []
  for i, value in enumerate(list_of_values):
    dtype = value.dtype
    rv_shape = value[0].shape
    loc = tf.Variable(
        tf.random.normal(rv_shape, dtype=dtype),
        name='meanfield_%s_mu' % i,
        dtype=dtype)
    scale = tfp.util.TransformedVariable(
        tf.fill(rv_shape, value=tf.constant(0.02, dtype)),
        tfb.Softplus(),
        name='meanfield_%s_scale' % i,
    )

    approx_node = tfd.Normal(loc=loc, scale=scale)
    if loc.shape == ():
      distlist.append(approx_node)
    else:
      distlist.append(
          # TODO: make the reinterpreted_batch_ndims more flexible (for 
          # minibatch etc)
          tfd.Independent(approx_node, reinterpreted_batch_ndims=1)
      )

  # pass list to JointDistribution to initiate the meanfield advi
  meanfield_advi = tfd.JointDistributionSequential(distlist)
  return meanfield_advi

advi = build_meanfield_advi(contextual_effect2, observed_node=-1)

# Check the logp and logq
advi_samples = advi.sample(4)
pprint([
  advi.log_prob(advi_samples),
  contextual_effect_posterior(*advi_samples)
  ])

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([231.26836839, 229.40755095, 227.10287879, 224.05914594])>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float64, numpy=array([-10615.93542431, -11743.21420129, -10376.26732337, -11338.00600103])>]

opt = tf.optimizers.Adam(learning_rate=.1)

@tf.function(experimental_compile=True)
def run_approximation():
  loss_ = tfp.vi.fit_surrogate_posterior(
        contextual_effect_posterior,
        surrogate_posterior=advi,
        optimizer=opt,
        sample_size=10,
        num_steps=300)
  return loss_

loss_ = run_approximation()

plt.plot(loss_);
plt.xlabel('iter');
plt.ylabel('loss');

بي إن جي

graph_info = contextual_effect2.resolve_graph()
approx_param = dict()
free_param = advi.trainable_variables
for i, (rvname, param) in enumerate(graph_info[:-1]):
  approx_param[rvname] = {"mu": free_param[i*2].numpy(),
                          "sd": free_param[i*2+1].numpy()}

approx_param.keys()

dict_keys(['sigma_a', 'eps', 'gamma', 'b', 'sigma_y'])

approx_param['gamma']

{'mu': array([1.28145814, 0.70365287, 1.02689857]),
 'sd': array([-3.6604972 , -2.68153218, -2.04176524])}

a_means = (approx_param['gamma']['mu'][0] 
         + approx_param['gamma']['mu'][1]*u.values
         + approx_param['gamma']['mu'][2]*xbar[county]
         + approx_param['eps']['mu'][county])
_, index = np.unique(county, return_index=True)
plt.scatter(u.values[index], a_means[index], color='g')

xvals = np.linspace(-1, 0.8)
plt.plot(xvals, 
         approx_param['gamma']['mu'][0]+approx_param['gamma']['mu'][1]*xvals, 
         'k--')
plt.xlim(-1, 0.8)

plt.xlabel('County-level uranium');
plt.ylabel('Intercept estimate');

بي إن جي

y_est = (approx_param['gamma']['mu'][0] 
        + approx_param['gamma']['mu'][1]*u.values
        + approx_param['gamma']['mu'][2]*xbar[county]
        + approx_param['eps']['mu'][county]
        + approx_param['b']['mu']*floor_measure)

_, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(12, 4))
ax.plot(county, log_radon, 'o', alpha=.25, label='observed')
ax.plot(county, y_est, '-o', lw=2, alpha=.5, label='y_hat')
ax.set_xlim(-1, county.max()+1)
plt.legend(loc='lower right')
ax.set_xlabel('County #')
ax.set_ylabel('log(Uranium) level');

بي إن جي

FullRank ADVI

للحصول على تصنيف ADVI الكامل ، نريد تقريب الجزء الخلفي بـ Gaussian متعدد المتغيرات.

USE_FULLRANK = True

*prior_tensors, _ = contextual_effect2.sample()

mapper = Mapper(prior_tensors,
                [tfb.Identity() for _ in prior_tensors],
                contextual_effect2.event_shape[:-1])

rv_shape = ps.shape(mapper.flatten_and_concat(mapper.list_of_tensors))
init_val = tf.random.normal(rv_shape, dtype=dtype)
loc = tf.Variable(init_val, name='loc', dtype=dtype)

if USE_FULLRANK:
  # cov_param = tfp.util.TransformedVariable(
  #     10. * tf.eye(rv_shape[0], dtype=dtype),
  #     tfb.FillScaleTriL(),
  #     name='cov_param'
  #     )
  FillScaleTriL = tfb.FillScaleTriL(
        diag_bijector=tfb.Chain([
          tfb.Shift(tf.cast(.01, dtype)),
          tfb.Softplus(),
          tfb.Shift(tf.cast(np.log(np.expm1(1.)), dtype))]),
        diag_shift=None)
  cov_param = tfp.util.TransformedVariable(
      .02 * tf.eye(rv_shape[0], dtype=dtype), 
      FillScaleTriL,
      name='cov_param')
  advi_approx = tfd.MultivariateNormalTriL(
      loc=loc, scale_tril=cov_param)
else:
  # An alternative way to build meanfield ADVI.
  cov_param = tfp.util.TransformedVariable(
      .02 * tf.ones(rv_shape, dtype=dtype),
      tfb.Softplus(),
      name='cov_param'
      )
  advi_approx = tfd.MultivariateNormalDiag(
      loc=loc, scale_diag=cov_param)

contextual_effect_posterior2 = lambda x: contextual_effect_posterior(
    *mapper.split_and_reshape(x)
)

# Check the logp and logq
advi_samples = advi_approx.sample(7)
pprint([
  advi_approx.log_prob(advi_samples),
  contextual_effect_posterior2(advi_samples)
  ])

[<tf.Tensor: shape=(7,), dtype=float64, numpy=
array([238.81841799, 217.71022639, 234.57207103, 230.0643819 ,
       243.73140943, 226.80149702, 232.85184209])>,
 <tf.Tensor: shape=(7,), dtype=float64, numpy=
array([-3638.93663169, -3664.25879314, -3577.69371677, -3696.25705312,
       -3689.12130489, -3777.53698383, -3659.4982734 ])>]

learning_rate = tf.optimizers.schedules.ExponentialDecay(
    initial_learning_rate=1e-2,
    decay_steps=10,
    decay_rate=0.99,
    staircase=True)

opt = tf.optimizers.Adam(learning_rate=learning_rate)

@tf.function(experimental_compile=True)
def run_approximation():
  loss_ = tfp.vi.fit_surrogate_posterior(
        contextual_effect_posterior2,
        surrogate_posterior=advi_approx,
        optimizer=opt,
        sample_size=10,
        num_steps=1000)
  return loss_

loss_ = run_approximation()

plt.plot(loss_);
plt.xlabel('iter');
plt.ylabel('loss');

بي إن جي

# debug
if True:
  _, ax = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
  ax[0].plot(mapper.flatten_and_concat(advi.mean()), advi_approx.mean(), 'o', alpha=.5)
  ax[1].plot(mapper.flatten_and_concat(advi.stddev()), advi_approx.stddev(), 'o', alpha=.5)
  ax[0].set_xlabel('MeanField')
  ax[0].set_ylabel('FullRank')

بي إن جي

graph_info = contextual_effect2.resolve_graph()
approx_param = dict()

free_param_mean = mapper.split_and_reshape(advi_approx.mean())
free_param_std = mapper.split_and_reshape(advi_approx.stddev())
for i, (rvname, param) in enumerate(graph_info[:-1]):
  approx_param[rvname] = {"mu": free_param_mean[i].numpy(),
                          "cov_info": free_param_std[i].numpy()}

a_means = (approx_param['gamma']['mu'][0] 
         + approx_param['gamma']['mu'][1]*u.values
         + approx_param['gamma']['mu'][2]*xbar[county]
         + approx_param['eps']['mu'][county])
_, index = np.unique(county, return_index=True)
plt.scatter(u.values[index], a_means[index], color='g')

xvals = np.linspace(-1, 0.8)
plt.plot(xvals, 
         approx_param['gamma']['mu'][0]+approx_param['gamma']['mu'][1]*xvals, 
         'k--')
plt.xlim(-1, 0.8)

plt.xlabel('County-level uranium');
plt.ylabel('Intercept estimate');

بي إن جي

y_est = (approx_param['gamma']['mu'][0] 
         + approx_param['gamma']['mu'][1]*u.values
         + approx_param['gamma']['mu'][2]*xbar[county]
         + approx_param['eps']['mu'][county]
         + approx_param['b']['mu']*floor_measure)

_, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(12, 4))
ax.plot(county, log_radon, 'o', alpha=.25, label='observed')
ax.plot(county, y_est, '-o', lw=2, alpha=.5, label='y_hat')
ax.set_xlim(-1, county.max()+1)
plt.legend(loc='lower right')
ax.set_xlabel('County #')
ax.set_ylabel('log(Uranium) level');

بي إن جي

نموذج خليط بيتا برنولي

نموذج مختلط حيث يقوم العديد من المراجعين بتسمية بعض العناصر ، مع تسميات غير معروفة (حقيقية) كامنة.

dtype = tf.float32

n = 50000    # number of examples reviewed
p_bad_ = 0.1 # fraction of bad events
m = 5        # number of reviewers for each example
rcl_ = .35 + np.random.rand(m)/10
prc_ = .65 + np.random.rand(m)/10

# PARAMETER TRANSFORMATION
tpr = rcl_
fpr = p_bad_*tpr*(1./prc_-1.)/(1.-p_bad_)
tnr = 1 - fpr

# broadcast to m reviewer.
batch_prob = np.asarray([tpr, fpr]).T
mixture = tfd.Mixture(
    tfd.Categorical(
        probs=[p_bad_, 1-p_bad_]),
    [
        tfd.Independent(tfd.Bernoulli(probs=tpr), 1),
        tfd.Independent(tfd.Bernoulli(probs=fpr), 1),
    ])
# Generate reviewer response
X_tf = mixture.sample([n])

# run once to always use the same array as input
# so we can compare the estimation from different
# inference method.
X_np = X_tf.numpy()

# batched Mixture model
mdl_mixture = tfd.JointDistributionSequential([
    tfd.Sample(tfd.Beta(5., 2.), m),
    tfd.Sample(tfd.Beta(2., 2.), m),
    tfd.Sample(tfd.Beta(1., 10), 1),
    lambda p_bad, rcl, prc: tfd.Sample(
        tfd.Mixture(
            tfd.Categorical(
                probs=tf.concat([p_bad, 1.-p_bad], -1)),
            [
              tfd.Independent(tfd.Bernoulli(
                  probs=rcl), 1),
              tfd.Independent(tfd.Bernoulli(
                  probs=p_bad*rcl*(1./prc-1.)/(1.-p_bad)), 1)
             ]
      ), (n, )), 
    ])

mdl_mixture.resolve_graph()

(('prc', ()), ('rcl', ()), ('p_bad', ()), ('x', ('p_bad', 'rcl', 'prc')))

prc, rcl, p_bad, x = mdl_mixture.sample(4)
x.shape

TensorShape([4, 50000, 5])

mdl_mixture.log_prob_parts([prc, rcl, p_bad, X_np[np.newaxis, ...]])

[<tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float32, numpy=array([1.4828572, 2.957961 , 2.9355168, 2.6116824], dtype=float32)>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float32, numpy=array([-0.14646745,  1.3308513 ,  1.1205603 ,  0.5441705 ], dtype=float32)>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float32, numpy=array([1.3733709, 1.8020535, 2.1865845, 1.5701319], dtype=float32)>,
 <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float32, numpy=array([-54326.664, -52683.93 , -64407.67 , -55007.895], dtype=float32)>]

الاستدلال (NUTS)

nchain = 10
prc, rcl, p_bad, _ = mdl_mixture.sample(nchain)
initial_chain_state = [prc, rcl, p_bad]

# Since MCMC operates over unconstrained space, we need to transform the
# samples so they live in real-space.
unconstraining_bijectors = [
    tfb.Sigmoid(),       # Maps R to [0, 1].
    tfb.Sigmoid(),       # Maps R to [0, 1].
    tfb.Sigmoid(),       # Maps R to [0, 1].
]
step_size = [tf.cast(i, dtype=dtype) for i in [1e-3, 1e-3, 1e-3]]

X_expanded = X_np[np.newaxis, ...]
target_log_prob_fn = lambda *x: mdl_mixture.log_prob(x + (X_expanded, ))

samples, sampler_stat = run_chain(
    initial_chain_state, step_size, target_log_prob_fn, 
    unconstraining_bijectors, burnin=100)

# using the pymc3 naming convention
sample_stats_name = ['lp', 'tree_size', 'diverging', 'energy', 'mean_tree_accept']
sample_stats = {k:v.numpy().T for k, v in zip(sample_stats_name, sampler_stat)}
sample_stats['tree_size'] = np.diff(sample_stats['tree_size'], axis=1)

var_name = ['Precision', 'Recall', 'Badness Rate']
posterior = {k:np.swapaxes(v.numpy(), 1, 0) 
             for k, v in zip(var_name, samples)}

az_trace = az.from_dict(posterior=posterior, sample_stats=sample_stats)

axes = az.plot_trace(az_trace, compact=True);

بي إن جي