]> Creatis software - CreaPhase.git/blobdiff - octave_packages/m/statistics/base/quantile.m
update packages
[CreaPhase.git] / octave_packages / m / statistics / base / quantile.m
diff --git a/octave_packages/m/statistics/base/quantile.m b/octave_packages/m/statistics/base/quantile.m
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bb6353e
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,415 @@
+## Copyright (C) 2008-2012 Ben Abbott and Jaroslav Hajek
+##
+## This file is part of Octave.
+##
+## Octave is free software; you can redistribute it and/or modify it
+## under the terms of the GNU General Public License as published by
+## the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at
+## your option) any later version.
+##
+## Octave is distributed in the hope that it will be useful, but
+## WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+## MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+## General Public License for more details.
+##
+## You should have received a copy of the GNU General Public License
+## along with Octave; see the file COPYING.  If not, see
+## <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+## -*- texinfo -*-
+## @deftypefn  {Function File} {@var{q} =} quantile (@var{x}, @var{p})
+## @deftypefnx {Function File} {@var{q} =} quantile (@var{x}, @var{p}, @var{dim})
+## @deftypefnx {Function File} {@var{q} =} quantile (@var{x}, @var{p}, @var{dim}, @var{method})
+## For a sample, @var{x}, calculate the quantiles, @var{q}, corresponding to
+## the cumulative probability values in @var{p}.  All non-numeric values (NaNs)
+## of @var{x} are ignored.
+##
+## If @var{x} is a matrix, compute the quantiles for each column and
+## return them in a matrix, such that the i-th row of @var{q} contains
+## the @var{p}(i)th quantiles of each column of @var{x}.
+##
+## The optional argument @var{dim} determines the dimension along which
+## the quantiles are calculated.  If @var{dim} is omitted, and @var{x} is
+## a vector or matrix, it defaults to 1 (column-wise quantiles).  If
+## @var{x} is an N-D array, @var{dim} defaults to the first non-singleton
+## dimension.
+##
+## The methods available to calculate sample quantiles are the nine methods
+## used by R (http://www.r-project.org/).  The default value is METHOD = 5.
+##
+## Discontinuous sample quantile methods 1, 2, and 3
+##
+## @enumerate 1
+## @item Method 1: Inverse of empirical distribution function.
+##
+## @item Method 2: Similar to method 1 but with averaging at discontinuities.
+##
+## @item Method 3: SAS definition: nearest even order statistic.
+## @end enumerate
+##
+## Continuous sample quantile methods 4 through 9, where p(k) is the linear
+## interpolation function respecting each methods' representative cdf.
+##
+## @enumerate 4
+## @item Method 4: p(k) = k / n. That is, linear interpolation of the
+## empirical cdf.
+##
+## @item Method 5: p(k) = (k - 0.5) / n. That is a piecewise linear function
+## where the knots are the values midway through the steps of the empirical
+## cdf.
+##
+## @item Method 6: p(k) = k / (n + 1).
+##
+## @item Method 7: p(k) = (k - 1) / (n - 1).
+##
+## @item Method 8: p(k) = (k - 1/3) / (n + 1/3).  The resulting quantile
+## estimates are approximately median-unbiased regardless of the distribution
+## of @var{x}.
+##
+## @item Method 9: p(k) = (k - 3/8) / (n + 1/4).  The resulting quantile
+## estimates are approximately unbiased for the expected order statistics if
+## @var{x} is normally distributed.
+## @end enumerate
+##
+## Hyndman and Fan (1996) recommend method 8.  Maxima, S, and R
+## (versions prior to 2.0.0) use 7 as their default.  Minitab and SPSS
+## use method 6.  @sc{matlab} uses method 5.
+##
+## References:
+##
+## @itemize @bullet
+## @item Becker, R. A., Chambers, J. M. and Wilks, A. R. (1988) The New
+## S Language.  Wadsworth & Brooks/Cole.
+##
+## @item Hyndman, R. J. and Fan, Y. (1996) Sample quantiles in
+## statistical packages, American Statistician, 50, 361--365.
+##
+## @item R: A Language and Environment for Statistical Computing;
+## @url{http://cran.r-project.org/doc/manuals/fullrefman.pdf}.
+## @end itemize
+##
+## Examples:
+## @c Set example in small font to prevent overfull line
+##
+## @smallexample
+## @group
+## x = randi (1000, [10, 1]);  # Create empirical data in range 1-1000
+## q = quantile (x, [0, 1]);   # Return minimum, maximum of distribution
+## q = quantile (x, [0.25 0.5 0.75]); # Return quartiles of distribution
+## @end group
+## @end smallexample
+## @seealso{prctile}
+## @end deftypefn
+
+## Author: Ben Abbott <bpabbott@mac.com>
+## Description: Matlab style quantile function of a discrete/continuous distribution
+
+function q = quantile (x, p = [], dim = 1, method = 5)
+
+  if (nargin < 1 || nargin > 4)
+    print_usage ();
+  endif
+
+  if (! (isnumeric (x) || islogical (x)))
+    error ("quantile: X must be a numeric vector or matrix");
+  endif
+
+  if (isempty (p))
+    p = [0.00 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+  endif
+
+  if (! (isnumeric (p) && isvector (p)))
+    error ("quantile: P must be a numeric vector");
+  endif
+
+  if (!(isscalar (dim) && dim == fix (dim))
+      || !(1 <= dim && dim <= ndims (x)))
+    error ("quantile: DIM must be an integer and a valid dimension");
+  endif
+
+  ## Set the permutation vector.
+  perm = 1:ndims(x);
+  perm(1) = dim;
+  perm(dim) = 1;
+
+  ## Permute dim to the 1st index.
+  x = permute (x, perm);
+
+  ## Save the size of the permuted x N-d array.
+  sx = size (x);
+
+  ## Reshape to a 2-d array.
+  x = reshape (x, [sx(1), prod(sx(2:end))]);
+
+  ## Calculate the quantiles.
+  q = __quantile__ (x, p, method);
+
+  ## Return the shape to the original N-d array.
+  q = reshape (q, [numel(p), sx(2:end)]);
+
+  ## Permute the 1st index back to dim.
+  q = ipermute (q, perm);
+
+endfunction
+
+
+%!test
+%! p = 0.5;
+%! x = sort (rand (11));
+%! q = quantile (x, p);
+%! assert (q, x(6,:))
+%! x = x.';
+%! q = quantile (x, p, 2);
+%! assert (q, x(:,6));
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [1; 2; 3; 4];
+%! a = [1.0000   1.0000   2.0000   3.0000   4.0000
+%!      1.0000   1.5000   2.5000   3.5000   4.0000
+%!      1.0000   1.0000   2.0000   3.0000   4.0000
+%!      1.0000   1.0000   2.0000   3.0000   4.0000
+%!      1.0000   1.5000   2.5000   3.5000   4.0000
+%!      1.0000   1.2500   2.5000   3.7500   4.0000
+%!      1.0000   1.7500   2.5000   3.2500   4.0000
+%!      1.0000   1.4167   2.5000   3.5833   4.0000
+%!      1.0000   1.4375   2.5000   3.5625   4.0000];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [1; 2; 3; 4; 5];
+%! a = [1.0000   2.0000   3.0000   4.0000   5.0000
+%!      1.0000   2.0000   3.0000   4.0000   5.0000
+%!      1.0000   1.0000   2.0000   4.0000   5.0000
+%!      1.0000   1.2500   2.5000   3.7500   5.0000
+%!      1.0000   1.7500   3.0000   4.2500   5.0000
+%!      1.0000   1.5000   3.0000   4.5000   5.0000
+%!      1.0000   2.0000   3.0000   4.0000   5.0000
+%!      1.0000   1.6667   3.0000   4.3333   5.0000
+%!      1.0000   1.6875   3.0000   4.3125   5.0000];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [1; 2; 5; 9];
+%! a = [1.0000   1.0000   2.0000   5.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.5000   3.5000   7.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.0000   2.0000   5.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.0000   2.0000   5.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.5000   3.5000   7.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.2500   3.5000   8.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.7500   3.5000   6.0000   9.0000
+%!      1.0000   1.4167   3.5000   7.3333   9.0000
+%!      1.0000   1.4375   3.5000   7.2500   9.0000];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [1; 2; 5; 9; 11];
+%! a = [1.0000    2.0000    5.0000    9.0000   11.0000
+%!      1.0000    2.0000    5.0000    9.0000   11.0000
+%!      1.0000    1.0000    2.0000    9.0000   11.0000
+%!      1.0000    1.2500    3.5000    8.0000   11.0000
+%!      1.0000    1.7500    5.0000    9.5000   11.0000
+%!      1.0000    1.5000    5.0000   10.0000   11.0000
+%!      1.0000    2.0000    5.0000    9.0000   11.0000
+%!      1.0000    1.6667    5.0000    9.6667   11.0000
+%!      1.0000    1.6875    5.0000    9.6250   11.0000];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [16; 11; 15; 12; 15;  8; 11; 12;  6; 10];
+%! a = [6.0000   10.0000   11.0000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000   10.0000   11.5000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000    8.0000   11.0000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000    9.0000   11.0000   13.5000   16.0000
+%!      6.0000   10.0000   11.5000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000    9.5000   11.5000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000   10.2500   11.5000   14.2500   16.0000
+%!      6.0000    9.8333   11.5000   15.0000   16.0000
+%!      6.0000    9.8750   11.5000   15.0000   16.0000];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = [0.00, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00];
+%! x = [-0.58851;  0.40048;  0.49527; -2.551500; -0.52057; ...
+%!      -0.17841; 0.057322; -0.62523;  0.042906;  0.12337];
+%! a = [-2.551474  -0.588505  -0.178409   0.123366   0.495271
+%!      -2.551474  -0.588505  -0.067751   0.123366   0.495271
+%!      -2.551474  -0.625231  -0.178409   0.123366   0.495271
+%!      -2.551474  -0.606868  -0.178409   0.090344   0.495271
+%!      -2.551474  -0.588505  -0.067751   0.123366   0.495271
+%!      -2.551474  -0.597687  -0.067751   0.192645   0.495271
+%!      -2.551474  -0.571522  -0.067751   0.106855   0.495271
+%!      -2.551474  -0.591566  -0.067751   0.146459   0.495271
+%!      -2.551474  -0.590801  -0.067751   0.140686   0.495271];
+%! for m = (1:9)
+%!   q = quantile (x, p, 1, m).';
+%!   assert (q, a(m,:), 0.0001)
+%! endfor
+
+%!test
+%! p = 0.5;
+%! x = [0.112600, 0.114800, 0.052100, 0.236400, 0.139300
+%!      0.171800, 0.727300, 0.204100, 0.453100, 0.158500
+%!      0.279500, 0.797800, 0.329600, 0.556700, 0.730700
+%!      0.428800, 0.875300, 0.647700, 0.628700, 0.816500
+%!      0.933100, 0.931200, 0.963500, 0.779600, 0.846100];
+%! tol = 0.00001;
+%! x(5,5) = NaN;
+%! assert (quantile(x, p, 1), [0.27950, 0.79780, 0.32960, 0.55670, 0.44460], tol);
+%! x(1,1) = NaN;
+%! assert (quantile(x, p, 1), [0.35415, 0.79780, 0.32960, 0.55670, 0.44460], tol);
+%! x(3,3) = NaN;
+%! assert (quantile(x, p, 1), [0.35415, 0.79780, 0.42590, 0.55670, 0.44460], tol);
+
+%!test
+%! sx = [2, 3, 4];
+%! x = rand (sx);
+%! dim = 2;
+%! p = 0.5;
+%! yobs = quantile (x, p, dim);
+%! yexp = median (x, dim);
+%! assert (yobs, yexp);
+
+%% Test input validation
+%!error quantile ()
+%!error quantile (1, 2, 3, 4, 5)
+%!error quantile (['A'; 'B'], 10)
+%!error quantile (1:10, [true, false])
+%!error quantile (1:10, ones (2,2))
+%!error quantile (1, 1, 1.5)
+%!error quantile (1, 1, 0)
+%!error quantile (1, 1, 3)
+%!error quantile ((1:5)', 0.5, 1, 0)
+%!error quantile ((1:5)', 0.5, 1, 10)
+
+## For the cumulative probability values in @var{p}, compute the
+## quantiles, @var{q} (the inverse of the cdf), for the sample, @var{x}.
+##
+## The optional input, @var{method}, refers to nine methods available in R
+## (http://www.r-project.org/). The default is @var{method} = 7. For more
+## detail, see `help quantile'.
+## @seealso{prctile, quantile, statistics}
+
+## Author: Ben Abbott <bpabbott@mac.com>
+## Vectorized version: Jaroslav Hajek <highegg@gmail.com>
+## Description: Quantile function of empirical samples
+
+function inv = __quantile__ (x, p, method = 5)
+
+  if (nargin < 2 || nargin > 3)
+    print_usage ();
+  endif
+
+  if (isinteger (x) || islogical (x))
+    x = double (x);
+  endif
+
+  ## set shape of quantiles to column vector.
+  p = p(:);
+
+  ## Save length and set shape of samples.
+  ## FIXME: does sort guarantee that NaN's come at the end?
+  x = sort (x);
+  m = sum (! isnan (x));
+  [xr, xc] = size (x);
+
+  ## Initialize output values.
+  inv = Inf (class (x)) * (-(p < 0) + (p > 1));
+  inv = repmat (inv, 1, xc);
+
+  ## Do the work.
+  if (any (k = find ((p >= 0) & (p <= 1))))
+    n = length (k);
+    p = p(k);
+    ## Special case of 1 row.
+    if (xr == 1)
+      inv(k,:) = repmat (x, n, 1);
+      return;
+    endif
+
+    ## The column-distribution indices.
+    pcd = kron (ones (n, 1), xr*(0:xc-1));
+    mm = kron (ones (n, 1), m);
+    switch (method)
+      case {1, 2, 3}
+        switch (method)
+          case 1
+            p = max (ceil (kron (p, m)), 1);
+            inv(k,:) = x(p + pcd);
+
+          case 2
+            p = kron (p, m);
+            p_lr = max (ceil (p), 1);
+            p_rl = min (floor (p + 1), mm);
+            inv(k,:) = (x(p_lr + pcd) + x(p_rl + pcd))/2;
+
+          case 3
+           ## Used by SAS, method PCTLDEF=2.
+           ## http://support.sas.com/onlinedoc/913/getDoc/en/statug.hlp/stdize_sect14.htm
+            t = max (kron (p, m), 1);
+            t = roundb (t);
+            inv(k,:) = x(t + pcd);
+        endswitch
+
+      otherwise
+        switch (method)
+          case 4
+            p = kron (p, m);
+
+          case 5
+            ## Used by Matlab.
+            p = kron (p, m) + 0.5;
+
+          case 6
+            ## Used by Minitab and SPSS.
+            p = kron (p, m+1);
+
+          case 7
+            ## Used by S and R.
+            p = kron (p, m-1) + 1;
+
+          case 8
+            ## Median unbiased.
+            p = kron (p, m+1/3) + 1/3;
+
+          case 9
+            ## Approximately unbiased respecting order statistics.
+            p = kron (p, m+0.25) + 0.375;
+
+          otherwise
+            error ("quantile: Unknown METHOD, '%d'", method);
+        endswitch
+
+        ## Duplicate single values.
+        imm1 = (mm == 1);
+        x(2,imm1) = x(1,imm1);
+
+        ## Interval indices.
+        pi = max (min (floor (p), mm-1), 1);
+        pr = max (min (p - pi, 1), 0);
+        pi += pcd;
+        inv(k,:) = (1-pr) .* x(pi) + pr .* x(pi+1);
+    endswitch
+  endif
+
+endfunction
+