]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blobdiff - boost/math/special_functions/detail/t_distribution_inv.hpp
Updated boost to v1.55.0
[rsem.git] / boost / math / special_functions / detail / t_distribution_inv.hpp
diff --git a/boost/math/special_functions/detail/t_distribution_inv.hpp b/boost/math/special_functions/detail/t_distribution_inv.hpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..72f6f0c
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,549 @@
+//  Copyright John Maddock 2007.
+//  Copyright Paul A. Bristow 2007
+//  Use, modification and distribution are subject to the
+//  Boost Software License, Version 1.0. (See accompanying file
+//  LICENSE_1_0.txt or copy at http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt)
+
+#ifndef BOOST_MATH_SF_DETAIL_INV_T_HPP
+#define BOOST_MATH_SF_DETAIL_INV_T_HPP
+
+#ifdef _MSC_VER
+#pragma once
+#endif
+
+#include <boost/math/special_functions/cbrt.hpp>
+#include <boost/math/special_functions/round.hpp>
+#include <boost/math/special_functions/trunc.hpp>
+
+namespace boost{ namespace math{ namespace detail{
+
+//
+// The main method used is due to Hill:
+//
+// G. W. Hill, Algorithm 396, Student's t-Quantiles,
+// Communications of the ACM, 13(10): 619-620, Oct., 1970.
+//
+template <class T, class Policy>
+T inverse_students_t_hill(T ndf, T u, const Policy& pol)
+{
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   BOOST_ASSERT(u <= 0.5);
+
+   T a, b, c, d, q, x, y;
+
+   if (ndf > 1e20f)
+      return -boost::math::erfc_inv(2 * u, pol) * constants::root_two<T>();
+
+   a = 1 / (ndf - 0.5f);
+   b = 48 / (a * a);
+   c = ((20700 * a / b - 98) * a - 16) * a + 96.36f;
+   d = ((94.5f / (b + c) - 3) / b + 1) * sqrt(a * constants::pi<T>() / 2) * ndf;
+   y = pow(d * 2 * u, 2 / ndf);
+
+   if (y > (0.05f + a))
+   {
+      //
+      // Asymptotic inverse expansion about normal:
+      //
+      x = -boost::math::erfc_inv(2 * u, pol) * constants::root_two<T>();
+      y = x * x;
+
+      if (ndf < 5)
+         c += 0.3f * (ndf - 4.5f) * (x + 0.6f);
+      c += (((0.05f * d * x - 5) * x - 7) * x - 2) * x + b;
+      y = (((((0.4f * y + 6.3f) * y + 36) * y + 94.5f) / c - y - 3) / b + 1) * x;
+      y = boost::math::expm1(a * y * y, pol);
+   }
+   else
+   {
+      y = ((1 / (((ndf + 6) / (ndf * y) - 0.089f * d - 0.822f)
+              * (ndf + 2) * 3) + 0.5 / (ndf + 4)) * y - 1)
+              * (ndf + 1) / (ndf + 2) + 1 / y;
+   }
+   q = sqrt(ndf * y);
+
+   return -q;
+}
+//
+// Tail and body series are due to Shaw:
+//
+// www.mth.kcl.ac.uk/~shaww/web_page/papers/Tdistribution06.pdf
+//
+// Shaw, W.T., 2006, "Sampling Student's T distribution - use of
+// the inverse cumulative distribution function."
+// Journal of Computational Finance, Vol 9 Issue 4, pp 37-73, Summer 2006
+//
+template <class T, class Policy>
+T inverse_students_t_tail_series(T df, T v, const Policy& pol)
+{
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   // Tail series expansion, see section 6 of Shaw's paper.
+   // w is calculated using Eq 60:
+   T w = boost::math::tgamma_delta_ratio(df / 2, constants::half<T>(), pol)
+      * sqrt(df * constants::pi<T>()) * v;
+   // define some variables:
+   T np2 = df + 2;
+   T np4 = df + 4;
+   T np6 = df + 6;
+   //
+   // Calculate the coefficients d(k), these depend only on the
+   // number of degrees of freedom df, so at least in theory
+   // we could tabulate these for fixed df, see p15 of Shaw:
+   //
+   T d[7] = { 1, };
+   d[1] = -(df + 1) / (2 * np2);
+   np2 *= (df + 2);
+   d[2] = -df * (df + 1) * (df + 3) / (8 * np2 * np4);
+   np2 *= df + 2;
+   d[3] = -df * (df + 1) * (df + 5) * (((3 * df) + 7) * df -2) / (48 * np2 * np4 * np6);
+   np2 *= (df + 2);
+   np4 *= (df + 4);
+   d[4] = -df * (df + 1) * (df + 7) *
+      ( (((((15 * df) + 154) * df + 465) * df + 286) * df - 336) * df + 64 )
+      / (384 * np2 * np4 * np6 * (df + 8));
+   np2 *= (df + 2);
+   d[5] = -df * (df + 1) * (df + 3) * (df + 9)
+            * (((((((35 * df + 452) * df + 1573) * df + 600) * df - 2020) * df) + 928) * df -128)
+            / (1280 * np2 * np4 * np6 * (df + 8) * (df + 10));
+   np2 *= (df + 2);
+   np4 *= (df + 4);
+   np6 *= (df + 6);
+   d[6] = -df * (df + 1) * (df + 11)
+            * ((((((((((((945 * df) + 31506) * df + 425858) * df + 2980236) * df + 11266745) * df + 20675018) * df + 7747124) * df - 22574632) * df - 8565600) * df + 18108416) * df - 7099392) * df + 884736)
+            / (46080 * np2 * np4 * np6 * (df + 8) * (df + 10) * (df +12));
+   //
+   // Now bring everthing together to provide the result,
+   // this is Eq 62 of Shaw:
+   //
+   T rn = sqrt(df);
+   T div = pow(rn * w, 1 / df);
+   T power = div * div;
+   T result = tools::evaluate_polynomial<7, T, T>(d, power);
+   result *= rn;
+   result /= div;
+   return -result;
+}
+
+template <class T, class Policy>
+T inverse_students_t_body_series(T df, T u, const Policy& pol)
+{
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   //
+   // Body series for small N:
+   //
+   // Start with Eq 56 of Shaw:
+   //
+   T v = boost::math::tgamma_delta_ratio(df / 2, constants::half<T>(), pol)
+      * sqrt(df * constants::pi<T>()) * (u - constants::half<T>());
+   //
+   // Workspace for the polynomial coefficients:
+   //
+   T c[11] = { 0, 1, };
+   //
+   // Figure out what the coefficients are, note these depend
+   // only on the degrees of freedom (Eq 57 of Shaw):
+   //
+   T in = 1 / df;
+   c[2] = 0.16666666666666666667 + 0.16666666666666666667 * in;
+   c[3] = (0.0083333333333333333333 * in 
+      + 0.066666666666666666667) * in 
+      + 0.058333333333333333333;
+   c[4] = ((0.00019841269841269841270 * in 
+      + 0.0017857142857142857143) * in 
+      + 0.026785714285714285714) * in 
+      + 0.025198412698412698413;
+   c[5] = (((2.7557319223985890653e-6 * in 
+      + 0.00037477954144620811287) * in 
+      - 0.0011078042328042328042) * in 
+      + 0.010559964726631393298) * in 
+      + 0.012039792768959435626;
+   c[6] = ((((2.5052108385441718775e-8 * in 
+      - 0.000062705427288760622094) * in 
+      + 0.00059458674042007375341) * in 
+      - 0.0016095979637646304313) * in 
+      + 0.0061039211560044893378) * in 
+      + 0.0038370059724226390893;
+   c[7] = (((((1.6059043836821614599e-10 * in 
+      + 0.000015401265401265401265) * in 
+      - 0.00016376804137220803887) * in
+      + 0.00069084207973096861986) * in 
+      - 0.0012579159844784844785) * in 
+      + 0.0010898206731540064873) * in 
+      + 0.0032177478835464946576;
+   c[8] = ((((((7.6471637318198164759e-13 * in
+      - 3.9851014346715404916e-6) * in
+      + 0.000049255746366361445727) * in
+      - 0.00024947258047043099953) * in 
+      + 0.00064513046951456342991) * in
+      - 0.00076245135440323932387) * in
+      + 0.000033530976880017885309) * in 
+      + 0.0017438262298340009980;
+   c[9] = (((((((2.8114572543455207632e-15 * in
+      + 1.0914179173496789432e-6) * in
+      - 0.000015303004486655377567) * in
+      + 0.000090867107935219902229) * in
+      - 0.00029133414466938067350) * in
+      + 0.00051406605788341121363) * in
+      - 0.00036307660358786885787) * in
+      - 0.00031101086326318780412) * in 
+      + 0.00096472747321388644237;
+   c[10] = ((((((((8.2206352466243297170e-18 * in
+      - 3.1239569599829868045e-7) * in
+      + 4.8903045291975346210e-6) * in
+      - 0.000033202652391372058698) * in
+      + 0.00012645437628698076975) * in
+      - 0.00028690924218514613987) * in
+      + 0.00035764655430568632777) * in
+      - 0.00010230378073700412687) * in
+      - 0.00036942667800009661203) * in
+      + 0.00054229262813129686486;
+   //
+   // The result is then a polynomial in v (see Eq 56 of Shaw):
+   //
+   return tools::evaluate_odd_polynomial<11, T, T>(c, v);
+}
+
+template <class T, class Policy>
+T inverse_students_t(T df, T u, T v, const Policy& pol, bool* pexact = 0)
+{
+   //
+   // df = number of degrees of freedom.
+   // u = probablity.
+   // v = 1 - u.
+   // l = lanczos type to use.
+   //
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   bool invert = false;
+   T result = 0;
+   if(pexact)
+      *pexact = false;
+   if(u > v)
+   {
+      // function is symmetric, invert it:
+      std::swap(u, v);
+      invert = true;
+   }
+   if((floor(df) == df) && (df < 20))
+   {
+      //
+      // we have integer degrees of freedom, try for the special
+      // cases first:
+      //
+      T tolerance = ldexp(1.0f, (2 * policies::digits<T, Policy>()) / 3);
+
+      switch(itrunc(df, Policy()))
+      {
+      case 1:
+         {
+            //
+            // df = 1 is the same as the Cauchy distribution, see
+            // Shaw Eq 35:
+            //
+            if(u == 0.5)
+               result = 0;
+            else
+               result = -cos(constants::pi<T>() * u) / sin(constants::pi<T>() * u);
+            if(pexact)
+               *pexact = true;
+            break;
+         }
+      case 2:
+         {
+            //
+            // df = 2 has an exact result, see Shaw Eq 36:
+            //
+            result =(2 * u - 1) / sqrt(2 * u * v);
+            if(pexact)
+               *pexact = true;
+            break;
+         }
+      case 4:
+         {
+            //
+            // df = 4 has an exact result, see Shaw Eq 38 & 39:
+            //
+            T alpha = 4 * u * v;
+            T root_alpha = sqrt(alpha);
+            T r = 4 * cos(acos(root_alpha) / 3) / root_alpha;
+            T x = sqrt(r - 4);
+            result = u - 0.5f < 0 ? (T)-x : x;
+            if(pexact)
+               *pexact = true;
+            break;
+         }
+      case 6:
+         {
+            //
+            // We get numeric overflow in this area:
+            //
+            if(u < 1e-150)
+               return (invert ? -1 : 1) * inverse_students_t_hill(df, u, pol);
+            //
+            // Newton-Raphson iteration of a polynomial case,
+            // choice of seed value is taken from Shaw's online
+            // supplement:
+            //
+            T a = 4 * (u - u * u);//1 - 4 * (u - 0.5f) * (u - 0.5f);
+            T b = boost::math::cbrt(a);
+            static const T c = 0.85498797333834849467655443627193;
+            T p = 6 * (1 + c * (1 / b - 1));
+            T p0;
+            do{
+               T p2 = p * p;
+               T p4 = p2 * p2;
+               T p5 = p * p4;
+               p0 = p;
+               // next term is given by Eq 41:
+               p = 2 * (8 * a * p5 - 270 * p2 + 2187) / (5 * (4 * a * p4 - 216 * p - 243));
+            }while(fabs((p - p0) / p) > tolerance);
+            //
+            // Use Eq 45 to extract the result:
+            //
+            p = sqrt(p - df);
+            result = (u - 0.5f) < 0 ? (T)-p : p;
+            break;
+         }
+#if 0
+         //
+         // These are Shaw's "exact" but iterative solutions
+         // for even df, the numerical accuracy of these is
+         // rather less than Hill's method, so these are disabled
+         // for now, which is a shame because they are reasonably
+         // quick to evaluate...
+         //
+      case 8:
+         {
+            //
+            // Newton-Raphson iteration of a polynomial case,
+            // choice of seed value is taken from Shaw's online
+            // supplement:
+            //
+            static const T c8 = 0.85994765706259820318168359251872L;
+            T a = 4 * (u - u * u); //1 - 4 * (u - 0.5f) * (u - 0.5f);
+            T b = pow(a, T(1) / 4);
+            T p = 8 * (1 + c8 * (1 / b - 1));
+            T p0 = p;
+            do{
+               T p5 = p * p;
+               p5 *= p5 * p;
+               p0 = p;
+               // Next term is given by Eq 42:
+               p = 2 * (3 * p + (640 * (160 + p * (24 + p * (p + 4)))) / (-5120 + p * (-2048 - 960 * p + a * p5))) / 7;
+            }while(fabs((p - p0) / p) > tolerance);
+            //
+            // Use Eq 45 to extract the result:
+            //
+            p = sqrt(p - df);
+            result = (u - 0.5f) < 0 ? -p : p;
+            break;
+         }
+      case 10:
+         {
+            //
+            // Newton-Raphson iteration of a polynomial case,
+            // choice of seed value is taken from Shaw's online
+            // supplement:
+            //
+            static const T c10 = 0.86781292867813396759105692122285L;
+            T a = 4 * (u - u * u); //1 - 4 * (u - 0.5f) * (u - 0.5f);
+            T b = pow(a, T(1) / 5);
+            T p = 10 * (1 + c10 * (1 / b - 1));
+            T p0;
+            do{
+               T p6 = p * p;
+               p6 *= p6 * p6;
+               p0 = p;
+               // Next term given by Eq 43:
+               p = (8 * p) / 9 + (218750 * (21875 + 4 * p * (625 + p * (75 + 2 * p * (5 + p))))) /
+                  (9 * (-68359375 + 8 * p * (-2343750 + p * (-546875 - 175000 * p + 8 * a * p6))));
+            }while(fabs((p - p0) / p) > tolerance);
+            //
+            // Use Eq 45 to extract the result:
+            //
+            p = sqrt(p - df);
+            result = (u - 0.5f) < 0 ? -p : p;
+            break;
+         }
+#endif
+      default:
+         goto calculate_real;
+      }
+   }
+   else
+   {
+calculate_real:
+      if(df > 0x10000000)
+      {
+         result = -boost::math::erfc_inv(2 * u, pol) * constants::root_two<T>();
+         if((pexact) && (df >= 1e20))
+            *pexact = true;
+      }
+      else if(df < 3)
+      {
+         //
+         // Use a roughly linear scheme to choose between Shaw's
+         // tail series and body series:
+         //
+         T crossover = 0.2742f - df * 0.0242143f;
+         if(u > crossover)
+         {
+            result = boost::math::detail::inverse_students_t_body_series(df, u, pol);
+         }
+         else
+         {
+            result = boost::math::detail::inverse_students_t_tail_series(df, u, pol);
+         }
+      }
+      else
+      {
+         //
+         // Use Hill's method except in the exteme tails
+         // where we use Shaw's tail series.
+         // The crossover point is roughly exponential in -df:
+         //
+         T crossover = ldexp(1.0f, iround(T(df / -0.654f), typename policies::normalise<Policy, policies::rounding_error<policies::ignore_error> >::type()));
+         if(u > crossover)
+         {
+            result = boost::math::detail::inverse_students_t_hill(df, u, pol);
+         }
+         else
+         {
+            result = boost::math::detail::inverse_students_t_tail_series(df, u, pol);
+         }
+      }
+   }
+   return invert ? (T)-result : result;
+}
+
+template <class T, class Policy>
+inline T find_ibeta_inv_from_t_dist(T a, T p, T /*q*/, T* py, const Policy& pol)
+{
+   T u = p / 2;
+   T v = 1 - u;
+   T df = a * 2;
+   T t = boost::math::detail::inverse_students_t(df, u, v, pol);
+   *py = t * t / (df + t * t);
+   return df / (df + t * t);
+}
+
+template <class T, class Policy>
+inline T fast_students_t_quantile_imp(T df, T p, const Policy& pol, const mpl::false_*)
+{
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   //
+   // Need to use inverse incomplete beta to get
+   // required precision so not so fast:
+   //
+   T probability = (p > 0.5) ? 1 - p : p;
+   T t, x, y(0);
+   x = ibeta_inv(df / 2, T(0.5), 2 * probability, &y, pol);
+   if(df * y > tools::max_value<T>() * x)
+      t = policies::raise_overflow_error<T>("boost::math::students_t_quantile<%1%>(%1%,%1%)", 0, pol);
+   else
+      t = sqrt(df * y / x);
+   //
+   // Figure out sign based on the size of p:
+   //
+   if(p < 0.5)
+      t = -t;
+   return t;
+}
+
+template <class T, class Policy>
+T fast_students_t_quantile_imp(T df, T p, const Policy& pol, const mpl::true_*)
+{
+   BOOST_MATH_STD_USING
+   bool invert = false;
+   if((df < 2) && (floor(df) != df))
+      return boost::math::detail::fast_students_t_quantile_imp(df, p, pol, static_cast<mpl::false_*>(0));
+   if(p > 0.5)
+   {
+      p = 1 - p;
+      invert = true;
+   }
+   //
+   // Get an estimate of the result:
+   //
+   bool exact;
+   T t = inverse_students_t(df, p, T(1-p), pol, &exact);
+   if((t == 0) || exact)
+      return invert ? -t : t; // can't do better!
+   //
+   // Change variables to inverse incomplete beta:
+   //
+   T t2 = t * t;
+   T xb = df / (df + t2);
+   T y = t2 / (df + t2);
+   T a = df / 2;
+   //
+   // t can be so large that x underflows,
+   // just return our estimate in that case:
+   //
+   if(xb == 0)
+      return t;
+   //
+   // Get incomplete beta and it's derivative:
+   //
+   T f1;
+   T f0 = xb < y ? ibeta_imp(a, constants::half<T>(), xb, pol, false, true, &f1)
+      : ibeta_imp(constants::half<T>(), a, y, pol, true, true, &f1);
+
+   // Get cdf from incomplete beta result:
+   T p0 = f0 / 2  - p;
+   // Get pdf from derivative:
+   T p1 = f1 * sqrt(y * xb * xb * xb / df);
+   //
+   // Second derivative divided by p1:
+   //
+   // yacas gives:
+   //
+   // In> PrettyForm(Simplify(D(t) (1 + t^2/v) ^ (-(v+1)/2)))
+   //
+   //  |                        | v + 1     |     |
+   //  |                       -| ----- + 1 |     |
+   //  |                        |   2       |     |
+   // -|             |  2     |                   |
+   //  |             | t      |                   |
+   //  |             | -- + 1 |                   |
+   //  | ( v + 1 ) * | v      |               * t |
+   // ---------------------------------------------
+   //                       v
+   //
+   // Which after some manipulation is:
+   //
+   // -p1 * t * (df + 1) / (t^2 + df)
+   //
+   T p2 = t * (df + 1) / (t * t + df);
+   // Halley step:
+   t = fabs(t);
+   t += p0 / (p1 + p0 * p2 / 2);
+   return !invert ? -t : t;
+}
+
+template <class T, class Policy>
+inline T fast_students_t_quantile(T df, T p, const Policy& pol)
+{
+   typedef typename policies::evaluation<T, Policy>::type value_type;
+   typedef typename policies::normalise<
+      Policy, 
+      policies::promote_float<false>, 
+      policies::promote_double<false>, 
+      policies::discrete_quantile<>,
+      policies::assert_undefined<> >::type forwarding_policy;
+
+   typedef mpl::bool_<
+      (std::numeric_limits<T>::digits <= 53)
+       &&
+      (std::numeric_limits<T>::is_specialized)
+       &&
+      (std::numeric_limits<T>::radix == 2)
+   > tag_type;
+   return policies::checked_narrowing_cast<T, forwarding_policy>(fast_students_t_quantile_imp(static_cast<value_type>(df), static_cast<value_type>(p), pol, static_cast<tag_type*>(0)), "boost::math::students_t_quantile<%1%>(%1%,%1%,%1%)");
+}
+
+}}} // namespaces
+
+#endif // BOOST_MATH_SF_DETAIL_INV_T_HPP
+
+
+