Fix constructionModelesLassoMLE: phiInit was reshaped from array to matrix. Add examp...
[valse.git] / pkg / R / main.R
index 1908021..13df89f 100644 (file)
-#' @useDynLib valse
-
-Valse = setRefClass(
-       Class = "Valse",
-
-       fields = c(
-               # User defined
-
-               # regression data (size n*p, where n is the number of observations,
-               # and p is the number of regressors)
-               X = "matrix",
-               # response data (size n*m, where n is the number of observations,
-               # and m is the number of responses)
-               Y = "matrix",
-
-               # Optionally user defined (some default values)
-
-               # power in the penalty
-               gamma = "numeric",
-               # minimum number of iterations for EM algorithm
-               mini = "integer",
-               # maximum number of iterations for EM algorithm
-               maxi = "integer",
-               # threshold for stopping EM algorithm
-               eps = "numeric",
-               # minimum number of components in the mixture
-               kmin = "integer",
-               # maximum number of components in the mixture
-               kmax = "integer",
-               # ranks for the Lasso-Rank procedure
-               rank.min = "integer",
-               rank.max = "integer",
-
-               # Computed through the workflow
-
-               # initialisation for the reparametrized conditional mean parameter
-               phiInit = "numeric",
-               # initialisation for the reparametrized variance parameter
-               rhoInit = "numeric",
-               # initialisation for the proportions
-               piInit = "numeric",
-               # initialisation for the allocations probabilities in each component
-               tauInit = "numeric",
-               # values for the regularization parameter grid
-               gridLambda = "numeric",
-               # je ne crois pas vraiment qu'il faille les mettre en sortie, d'autant plus qu'on construit
-               # une matrice A1 et A2 pour chaque k, et elles sont grandes, donc ca coute un peu cher ...
-               A1 = "integer",
-               A2 = "integer",
-               # collection of estimations for the reparametrized conditional mean parameters
-               Phi = "numeric",
-               # collection of estimations for the reparametrized variance parameters
-               Rho = "numeric",
-               # collection of estimations for the proportions parameters
-               Pi = "numeric",
-
-               #immutable (TODO:?)
-               thresh = "numeric"
-       ),
-
-       methods = list(
-               #######################
-               #initialize main object
-               #######################
-               initialize = function(X,Y,...)
-               {
-                       "Initialize Valse object"
-
-                       callSuper(...)
-
-                       X <<- X
-                       Y <<- Y
-                       gamma <<- ifelse (hasArg("gamma"), gamma, 1.)
-                       mini <<- ifelse (hasArg("mini"), mini, as.integer(5))
-                       maxi <<- ifelse (hasArg("maxi"), maxi, as.integer(10))
-                       eps <<- ifelse (hasArg("eps"), eps, 1e-6)
-                       kmin <<- ifelse (hasArg("kmin"), kmin, as.integer(2))
-                       kmax <<- ifelse (hasArg("kmax"), kmax, as.integer(3))
-                       rank.min <<- ifelse (hasArg("rank.min"), rank.min, as.integer(2))
-                       rank.max <<- ifelse (hasArg("rank.max"), rank.max, as.integer(3))
-                       thresh <<- 1e-15 #immutable (TODO:?)
-               },
-
-               ##################################
-               #core workflow: compute all models
-               ##################################
-
-               initParameters = function(k)
-               {
-                       "Parameters initialization"
-
-                       #smallEM initializes parameters by k-means and regression model in each component,
-                       #doing this 20 times, and keeping the values maximizing the likelihood after 10
-                       #iterations of the EM algorithm.
-                       init = initSmallEM(k,X,Y)
-                       phiInit <<- init$phi0
-                       rhoInit <<- init$rho0
-                       piInit  <<- init$pi0
-                       tauInit <<- init$tau0
-               },
-
-               computeGridLambda = function()
-               {
-                       "computation of the regularization grid"
-                       #(according to explicit formula given by EM algorithm)
-
-                       gridLambda <<- gridLambda(phiInit,rhoInit,piInit,tauInit,X,Y,gamma,mini,maxi,eps)
-               },
-
-               computeRelevantParameters = function()
-               {
-                       "Compute relevant parameters"
-
-                       #select variables according to each regularization parameter
-                       #from the grid: A1 corresponding to selected variables, and
-                       #A2 corresponding to unselected variables.
-                       params = selectiontotale(
-                               phiInit,rhoInit,piInit,tauInit,mini,maxi,gamma,gridLambda,X,Y,thresh,eps)
-                       A1 <<- params$A1
-                       A2 <<- params$A2
-                       Rho <<- params$Rho
-                       Pi <<- params$Pi
-               },
-
-               runProcedure1 = function()
-               {
-                       "Run procedure 1 [EMGLLF]"
-
-                       #compute parameter estimations, with the Maximum Likelihood
-                       #Estimator, restricted on selected variables.
-                       return ( constructionModelesLassoMLE(
-                               phiInit,rhoInit,piInit,tauInit,mini,maxi,gamma,gridLambda,X,Y,thresh,eps,A1,A2) )
-               },
-
-               runProcedure2 = function()
-               {
-                       "Run procedure 2 [EMGrank]"
-
-                       #compute parameter estimations, with the Low Rank
-                       #Estimator, restricted on selected variables.
-                       return ( constructionModelesLassoRank(Pi,Rho,mini,maxi,X,Y,eps,
-                               A1,rank.min,rank.max) )
-               },
-
-               run = function()
-               {
-                       "main loop: over all k and all lambda"
-
-                       # Run the whole procedure, 1 with the
-                       #maximum likelihood refitting, and 2 with the Low Rank refitting.
-                       p = dim(phiInit)[1]
-                       m = dim(phiInit)[2]
-                       for (k in kmin:kmax)
-                       {
-                               print(k)
-                               initParameters(k)
-                               computeGridLambda()
-                               computeRelevantParameters()
-                               if (procedure == 1)
-                               {
-                                       r1 = runProcedure1()
-                                       Phi2 = Phi
-                                       Rho2 = Rho
-                                       Pi2 = Pi
-                                       p = ncol(X)
-                                       m = ncol(Y)
-                                       if (is.null(dim(Phi2))) #test was: size(Phi2) == 0
-                                       {
-                                               Phi[,,1:k] <<- r1$phi
-                                               Rho[,,1:k] <<- r1$rho
-                                               Pi[1:k,] <<- r1$pi
-                                       } else
-                                       {
-                                               Phi <<- array(0., dim=c(p,m,kmax,dim(Phi2)[4]+dim(r1$phi)[4]))
-                                               Phi[,,1:(dim(Phi2)[3]),1:(dim(Phi2)[4])] <<- Phi2
-                                               Phi[,,1:k,dim(Phi2)[4]+1] <<- r1$phi
-                                               Rho <<- array(0., dim=c(m,m,kmax,dim(Rho2)[4]+dim(r1$rho)[4]))
-                                               Rho[,,1:(dim(Rho2)[3]),1:(dim(Rho2)[4])] <<- Rho2
-                                               Rho[,,1:k,dim(Rho2)[4]+1] <<- r1$rho
-                                               Pi <<- array(0., dim=c(kmax,dim(Pi2)[2]+dim(r1$pi)[2]))
-                                               Pi[1:nrow(Pi2),1:ncol(Pi2)] <<- Pi2
-                                               Pi[1:k,ncol(Pi2)+1] <<- r1$pi
-                                       }
-                               } else
-                               {
-                                       phi = runProcedure2()$phi
-                                       Phi2 = Phi
-                                       if (dim(Phi2)[1] == 0)
-                                       {
-                                               Phi[,,1:k,] <<- phi
-                                       } else
-                                       {
-                                               Phi <<- array(0., dim=c(p,m,kmax,dim(Phi2)[4]+dim(phi)[4]))
-                                               Phi[,,1:(dim(Phi2)[3]),1:(dim(Phi2)[4])] <<- Phi2
-                                               Phi[,,1:k,-(1:(dim(Phi2)[4]))] <<- phi
-                                       }
-                               }
-                       }
-               }
-
-               ##################################################
-               #TODO: pruning: select only one (or a few best ?!) model
-               ##################################################
-               #
-               #               function[model] selectModel(
-               #                       #TODO
-               #                       #model = odel(...)
-               #               end
-               # Give at least the slope heuristic and BIC, and AIC ?
-
-               )
-)
+#' runValse
+#'
+#' Main function
+#'
+#' @param X matrix of covariates (of size n*p)
+#' @param Y matrix of responses (of size n*m)
+#' @param procedure among 'LassoMLE' or 'LassoRank'
+#' @param selecMod method to select a model among 'DDSE', 'DJump', 'BIC' or 'AIC'
+#' @param gamma integer for the power in the penaly, by default = 1
+#' @param mini integer, minimum number of iterations in the EM algorithm, by default = 10
+#' @param maxi integer, maximum number of iterations in the EM algorithm, by default = 100
+#' @param eps real, threshold to say the EM algorithm converges, by default = 1e-4
+#' @param kmin integer, minimum number of clusters, by default = 2
+#' @param kmax integer, maximum number of clusters, by default = 10
+#' @param rank.min integer, minimum rank in the low rank procedure, by default = 1
+#' @param rank.max integer, maximum rank in the low rank procedure, by default = 5
+#' @param ncores_outer Number of cores for the outer loop on k
+#' @param ncores_inner Number of cores for the inner loop on lambda
+#' @param thresh real, threshold to say a variable is relevant, by default = 1e-8
+#' @param grid_lambda, a vector with regularization parameters if known, by default numeric(0)
+#' @param size_coll_mod (Maximum) size of a collection of models
+#' @param fast TRUE to use compiled C code, FALSE for R code only
+#' @param verbose TRUE to show some execution traces
+#' @param plot TRUE to plot the selected models after run
+#'
+#' @return
+#' The selected model if enough data are available to estimate it,
+#' or a list of models otherwise.
+#'
+#' @examples
+#' n = 50; m = 10; p = 5
+#' beta = array(0, dim=c(p,m,2))
+#' beta[,,1] = 1
+#' beta[,,2] = 2
+#' data = generateXY(n, c(0.4,0.6), rep(0,p), beta, diag(0.5, p), diag(0.5, m))
+#' X = data$X
+#' Y = data$Y
+#' res = runValse(X, Y)
+#' X <- matrix(runif(100), nrow=50)
+#' Y <- matrix(runif(100), nrow=50)
+#' res = runValse(X, Y)
+#'
+#' @export
+runValse <- function(X, Y, procedure = "LassoMLE", selecMod = "DDSE", gamma = 1, mini = 10,
+  maxi = 50, eps = 1e-04, kmin = 2, kmax = 3, rank.min = 1, rank.max = 5, ncores_outer = 1,
+  ncores_inner = 1, thresh = 1e-08, grid_lambda = numeric(0), size_coll_mod = 10,
+  fast = TRUE, verbose = FALSE, plot = TRUE)
+{
+  n <- nrow(X)
+  p <- ncol(X)
+  m <- ncol(Y)
+
+  if (verbose)
+    print("main loop: over all k and all lambda")
+
+  if (ncores_outer > 1) {
+    cl <- parallel::makeCluster(ncores_outer, outfile = "")
+    parallel::clusterExport(cl = cl, envir = environment(), varlist = c("X",
+      "Y", "procedure", "selecMod", "gamma", "mini", "maxi", "eps", "kmin",
+      "kmax", "rank.min", "rank.max", "ncores_outer", "ncores_inner", "thresh",
+      "size_coll_mod", "verbose", "p", "m"))
+  }
+
+  # Compute models with k components
+  computeModels <- function(k)
+  {
+    if (ncores_outer > 1)
+      require("valse") #nodes start with an empty environment
+
+    if (verbose)
+      print(paste("Parameters initialization for k =", k))
+    # smallEM initializes parameters by k-means and regression model in each
+    # component, doing this 20 times, and keeping the values maximizing the
+    # likelihood after 10 iterations of the EM algorithm.
+    P <- initSmallEM(k, X, Y, fast)
+    if (length(grid_lambda) == 0)
+    {
+      grid_lambda <- computeGridLambda(P$phiInit, P$rhoInit, P$piInit, P$gamInit,
+                                       X, Y, gamma, mini, maxi, eps, fast)
+    }
+    if (length(grid_lambda) > size_coll_mod)
+      grid_lambda <- grid_lambda[seq(1, length(grid_lambda), length.out = size_coll_mod)]
+
+    if (verbose)
+      print("Compute relevant parameters")
+    # select variables according to each regularization parameter from the grid:
+    # S$selected corresponding to selected variables
+    S <- selectVariables(P$phiInit, P$rhoInit, P$piInit, P$gamInit, mini, maxi,
+      gamma, grid_lambda, X, Y, thresh, eps, ncores_inner, fast)
+
+    if (procedure == "LassoMLE") {
+      if (verbose)
+        print("run the procedure Lasso-MLE")
+      # compute parameter estimations, with the Maximum Likelihood Estimator,
+      # restricted on selected variables.
+      models <- constructionModelesLassoMLE(P$phiInit, P$rhoInit, P$piInit,
+        P$gamInit, mini, maxi, gamma, X, Y, eps, S, ncores_inner, fast, verbose)
+    } else {
+      if (verbose)
+        print("run the procedure Lasso-Rank")
+      # compute parameter estimations, with the Low Rank Estimator, restricted on
+      # selected variables.
+      models <- constructionModelesLassoRank(S, k, mini, maxi, X, Y, eps, rank.min,
+        rank.max, ncores_inner, fast, verbose)
+    }
+    # warning! Some models are NULL after running selectVariables
+    models <- models[sapply(models, function(cell) !is.null(cell))]
+    models
+  }
+
+  # List (index k) of lists (index lambda) of models
+  models_list <-
+    if (ncores_outer > 1) {
+      parLapply(cl, kmin:kmax, computeModels)
+    } else {
+      lapply(kmin:kmax, computeModels)
+    }
+  if (ncores_outer > 1)
+    parallel::stopCluster(cl)
+
+  if (!requireNamespace("capushe", quietly = TRUE))
+  {
+    warning("'capushe' not available: returning all models")
+    return(models_list)
+  }
+
+  # Get summary 'tableauRecap' from models
+  tableauRecap <- do.call(rbind, lapply(seq_along(models_list), function(i)
+  {
+    models <- models_list[[i]]
+    # For a collection of models (same k, several lambda):
+    LLH <- sapply(models, function(model) model$llh[1])
+    k <- length(models[[1]]$pi)
+    sumPen <- sapply(models, function(model) k * (dim(model$rho)[1] + sum(model$phi[,
+      , 1] != 0) + 1) - 1)
+    data.frame(model = paste(i, ".", seq_along(models), sep = ""), pen = sumPen/n,
+      complexity = sumPen, contrast = -LLH)
+  }))
+  tableauRecap <- tableauRecap[which(tableauRecap[, 4] != Inf), ]
+  if (verbose)
+    print(tableauRecap)
+
+  if (nrow(tableauRecap) > 10) {
+    modSel <- capushe::capushe(tableauRecap, n)
+    indModSel <- if (selecMod == "DDSE")
+    {
+      as.numeric(modSel@DDSE@model)
+    } else if (selecMod == "Djump")
+    {
+      as.numeric(modSel@Djump@model)
+    } else if (selecMod == "BIC")
+    {
+      modSel@BIC_capushe$model
+    } else if (selecMod == "AIC")
+    {
+      modSel@AIC_capushe$model
+    }
+    listMod <- as.integer(unlist(strsplit(as.character(indModSel), "[.]")))
+    modelSel <- models_list[[listMod[1]]][[listMod[2]]]
+    modelSel$models <- tableauRecap
+
+    if (plot)
+      print(plot_valse(X, Y, modelSel))
+    return(modelSel)
+  }
+  tableauRecap
+}