私は、適合するオプションを提供するPythonパッケージを探しています自然なスムージングスプラインユーザーが選択できる平滑化係数付き。そのための実装はありますか? ない場合は、利用可能なものをどのように使用して自分で実装しますか?
自然スプラインとは、端点における近似関数の 2 次導関数がゼロ (線形) になるという条件があることを意味します。
スムージングスプラインとは、スプラインが「補間」(すべてのデータポイントを通過する)してはならないことを意味します。適切なスムージング係数ラムダを決定したいと思います(Wikipediaページスプラインを滑らかにするために自分でやってみました。
私が見つけたもの
ベストアンサー1
何時間も調査した結果、ユーザーが制御できる滑らかさで自然な3次スプラインをフィットできるpipインストール可能なパッケージは見つかりませんでした。しかし、自分で書いてみようと決めて、このトピックについて読んでいるときに、ブログ投稿githubユーザーよりマドゥリー彼は、自然な 3 次スプライン モデルを作成できる Python コードを作成しました。
モデルコードは入手可能ですここ(NaturalCubicSpline) とBSDライセンス彼はまた、いくつかの例をIPythonノートブック。
しかし、これはインターネットであり、リンクは切れがちなので、ここではソースコードの関連部分とget_natural_cubic_spline_model
私が書いたヘルパー関数 ( ) をコピーし、その使用方法の例を示します。フィットの滑らかさは、異なる数のノットを使用することで制御できます。ノットの位置もユーザーが指定できます。
例
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
def func(x):
return 1/(1+25*x**2)
# make example data
x = np.linspace(-1,1,300)
y = func(x) + np.random.normal(0, 0.2, len(x))
# The number of knots can be used to control the amount of smoothness
model_6 = get_natural_cubic_spline_model(x, y, minval=min(x), maxval=max(x), n_knots=6)
model_15 = get_natural_cubic_spline_model(x, y, minval=min(x), maxval=max(x), n_knots=15)
y_est_6 = model_6.predict(x)
y_est_15 = model_15.predict(x)
plt.plot(x, y, ls='', marker='.', label='originals')
plt.plot(x, y_est_6, marker='.', label='n_knots = 6')
plt.plot(x, y_est_15, marker='.', label='n_knots = 15')
plt.legend(); plt.show()
ソースコードget_natural_cubic_spline_model
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.base import BaseEstimator, TransformerMixin
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.pipeline import Pipeline
def get_natural_cubic_spline_model(x, y, minval=None, maxval=None, n_knots=None, knots=None):
"""
Get a natural cubic spline model for the data.
For the knots, give (a) `knots` (as an array) or (b) minval, maxval and n_knots.
If the knots are not directly specified, the resulting knots are equally
space within the *interior* of (max, min). That is, the endpoints are
*not* included as knots.
Parameters
----------
x: np.array of float
The input data
y: np.array of float
The outpur data
minval: float
Minimum of interval containing the knots.
maxval: float
Maximum of the interval containing the knots.
n_knots: positive integer
The number of knots to create.
knots: array or list of floats
The knots.
Returns
--------
model: a model object
The returned model will have following method:
- predict(x):
x is a numpy array. This will return the predicted y-values.
"""
if knots:
spline = NaturalCubicSpline(knots=knots)
else:
spline = NaturalCubicSpline(max=maxval, min=minval, n_knots=n_knots)
p = Pipeline([
('nat_cubic', spline),
('regression', LinearRegression(fit_intercept=True))
])
p.fit(x, y)
return p
class AbstractSpline(BaseEstimator, TransformerMixin):
"""Base class for all spline basis expansions."""
def __init__(self, max=None, min=None, n_knots=None, n_params=None, knots=None):
if knots is None:
if not n_knots:
n_knots = self._compute_n_knots(n_params)
knots = np.linspace(min, max, num=(n_knots + 2))[1:-1]
max, min = np.max(knots), np.min(knots)
self.knots = np.asarray(knots)
@property
def n_knots(self):
return len(self.knots)
def fit(self, *args, **kwargs):
return self
class NaturalCubicSpline(AbstractSpline):
"""Apply a natural cubic basis expansion to an array.
The features created with this basis expansion can be used to fit a
piecewise cubic function under the constraint that the fitted curve is
linear *outside* the range of the knots.. The fitted curve is continuously
differentiable to the second order at all of the knots.
This transformer can be created in two ways:
- By specifying the maximum, minimum, and number of knots.
- By specifying the cutpoints directly.
If the knots are not directly specified, the resulting knots are equally
space within the *interior* of (max, min). That is, the endpoints are
*not* included as knots.
Parameters
----------
min: float
Minimum of interval containing the knots.
max: float
Maximum of the interval containing the knots.
n_knots: positive integer
The number of knots to create.
knots: array or list of floats
The knots.
"""
def _compute_n_knots(self, n_params):
return n_params
@property
def n_params(self):
return self.n_knots - 1
def transform(self, X, **transform_params):
X_spl = self._transform_array(X)
if isinstance(X, pd.Series):
col_names = self._make_names(X)
X_spl = pd.DataFrame(X_spl, columns=col_names, index=X.index)
return X_spl
def _make_names(self, X):
first_name = "{}_spline_linear".format(X.name)
rest_names = ["{}_spline_{}".format(X.name, idx)
for idx in range(self.n_knots - 2)]
return [first_name] + rest_names
def _transform_array(self, X, **transform_params):
X = X.squeeze()
try:
X_spl = np.zeros((X.shape[0], self.n_knots - 1))
except IndexError: # For arrays with only one element
X_spl = np.zeros((1, self.n_knots - 1))
X_spl[:, 0] = X.squeeze()
def d(knot_idx, x):
def ppart(t): return np.maximum(0, t)
def cube(t): return t*t*t
numerator = (cube(ppart(x - self.knots[knot_idx]))
- cube(ppart(x - self.knots[self.n_knots - 1])))
denominator = self.knots[self.n_knots - 1] - self.knots[knot_idx]
return numerator / denominator
for i in range(0, self.n_knots - 2):
X_spl[:, i+1] = (d(i, X) - d(self.n_knots - 2, X)).squeeze()
return X_spl