File:GaussianProcessDecomposition 3RandomSignals.svg

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Kurzbeschreibungen

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Beschreibung

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Beschreibung
English: Three randomly generated signals that follow certain Gaussian processes.
Deutsch: Drei zufällig erzeugte Signale, die bestimmten Gaußprozessen folgen.
Datum
Quelle Eigenes Werk
Urheber Christian Schirm
SVG‑Erstellung
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Der SVG-Code ist valide.
 
Dieser Plot wurde mit Matplotlib erstellt.
Quelltext
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Python code

#This source code is public domain
#Author: Christian Schirm

import numpy, scipy.spatial
import matplotlib.pyplot as plt
import imageio

numpy.random.seed(50)

# Covariance matrix
def covMat(x1, x2, covFunc, noise=0):
    cov = covFunc(scipy.spatial.distance_matrix(numpy.atleast_2d(x1).T, numpy.atleast_2d(x2).T))
    if noise: cov += numpy.diag(numpy.ones(len(cov))*noise)
    return cov

# Decomposition of e.g. sum of signals into components
def decompose(xIn, yIn, xOut, covFuncIn, covFuncListOut):
    Ckk = covMat(xIn, xIn, covFuncIn, noise=0)
    n = len(covFuncListOut)
    N = len(xOut)
    Cuu = numpy.zeros((n*len(xOut), n*len(xOut)))
    Cuk = numpy.zeros((n*len(xOut), len(xOut)))
    for i,covOut in enumerate(covFuncListOut):
        Cuu[i*N:(i+1)*N, i*N:(i+1)*N] = covMat(xOut, xOut, covOut, noise=0)
        Cuk[i*N:(i+1)*N,:] = covMat(xOut, xIn, covOut, noise=0)
    CkkInv = numpy.linalg.inv(Ckk)
    y = Cuk.dot(CkkInv.dot(yIn))
    sigmaSplit = (Cuu - Cuk.dot(CkkInv.dot(Cuk.T)))
    return y, sigmaSplit

# Covariance function 1: smooth random signal underground
covFunc1 = lambda d: 2.7**2*numpy.exp(-((d/1.)**2))

# Covariance function 2: periodic signal
covFunc2 = lambda d: 2.7**2*numpy.exp(-0.4*numpy.abs((numpy.sin(numpy.pi*d/2.5))))

# Covariance function 3: white gaussian noise
covFunc3 = lambda d: d*0 + 0.8**2*(numpy.abs(d)<0.00001)

# Covariance function of sum
covFuncSum = lambda d: covFunc1(d) + covFunc2(d) + covFunc3(d)

x = numpy.linspace(0, 10, 300)

# Generate random signales
Y = []
for covFunc in covFunc1, covFunc2, covFunc3:
    y = numpy.random.multivariate_normal(x.ravel()*0, covMat(x, x, covFunc))
    Y += [y]

# perform decomposition
YSplit = []
YSigma = []
ySplit, sigmaSplit = decompose(x, Y[0]+Y[1]+Y[2], x, covFuncSum, [covFunc1, covFunc2, covFunc3])
YSplit = ySplit.reshape(3,len(x))

# set prior mean of signals 1 and 2
meanShift = 3
YSplit[0] += meanShift
Y[0] += meanShift
YSplit[1] -= meanShift
Y[1] -= meanShift

# Random gaussian process signals
fig = plt.figure(figsize=(4.2,3.0))
for i,c in (2,1), (0,0), (1,2):
    plt.plot(x, Y[i], color='C'+str(c), label=u'Prediction',alpha=1)
plt.axis([0,10,-10,10])
plt.xlabel('t')
plt.tight_layout()
plt.savefig('GaussianProcessDecomposition_3RandomSignals.svg')
plt.show()

# Sum of all 3 signals
fig = plt.figure(figsize=(4.2,3.0))
plt.plot(x, (Y[0]+Y[1]+Y[2]), 'r-', label=u'Prediction')
plt.axis([0,10,-10,10])
plt.xlabel('t')
plt.tight_layout()
plt.savefig('GaussianProcessDecomposition_SumOf3Signals.svg')
plt.show()

# plot figures
# Decomposion of sum into single signals
fig = plt.figure(figsize=(4.2,3.0))
for i,c in (2,1), (0,0), (1,2):
    plt.plot(x, Y[i], '--', color='C'+str(c), label=u'Prediction',alpha=0.4)
    plt.plot(x, YSplit[i], color='C'+str(c), label=u'Prediction',alpha=1)
plt.axis([0,10,-10,10])
plt.xlabel('t')
plt.tight_layout()
plt.savefig('GaussianProcessDecomposition_DecomposedSignals.svg')
plt.show()

# Uncertainty animation

t = numpy.arange(0, 1, 0.02)
covFunc = lambda d: numpy.exp(-(3*numpy.sin(d*numpy.pi))**2) # Covariance function
chol = numpy.linalg.cholesky(covMat(t, t, covFunc, noise=1E-5))
r = chol.dot(numpy.random.randn(len(t), len(sigmaSplit)))
cov = sigmaSplit+1E-5*numpy.identity(len(sigmaSplit))
rSmooth = numpy.linalg.cholesky(cov).dot(r.T).reshape(3,len(x),len(t))

images = []
fig = plt.figure(figsize=(4.2,3.0))
for ti in [0]+list(range(len(t))):
    for i,c in (2,1), (0,0), (1,2):
        plt.plot(x, YSplit[i] + rSmooth[i,:,ti], color='C'+str(c), label=u'Prediction',alpha=1)
    plt.axis([0,10,-10,10])
    plt.xlabel('t')
    plt.tight_layout()
    fig.canvas.draw()
    s, (width, height) = fig.canvas.print_to_buffer()
    images.append(numpy.array(list(s), numpy.uint8).reshape((height, width, 4)))
    fig.clf()

# Save GIF animation
imageio.mimsave('GaussianProcessDecomposition_Uncertainty.gif', images[1:])

Lizenz

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Ich, der Urheber dieses Werkes, veröffentliche es unter der folgenden Lizenz:
Creative Commons CC-Zero Diese Datei wird unter der Creative-Commons-Lizenz „CC0 1.0 Verzicht auf das Copyright“ zur Verfügung gestellt.
Die Person, die das Werk mit diesem Dokument verbunden hat, übergibt dieses weltweit der Gemeinfreiheit, indem sie alle Urheberrechte und damit verbundenen weiteren Rechte – im Rahmen der jeweils geltenden gesetzlichen Bestimmungen – aufgibt. Das Werk kann – selbst für kommerzielle Zwecke – kopiert, modifiziert und weiterverteilt werden, ohne hierfür um Erlaubnis bitten zu müssen.

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