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AS 177(正規序数値の期待値) を Julia に翻訳

2022年06月12日 | Julia

「正規序数値の期待値」とは聞き慣れない訳語かもしれないが,Expected values of normal order statistics のこと。

H. Leon Harter(1961)Expected Values of Normal Order Statistics, Biometrika, 48, 151-165.
https://www.jstor.org/stable/2333139

大本に近いのは以下

Algorithm AS 177: Expected Normal Order Statistics (Exact and Approximate)
http://imaging.mrc-cbu.cam.ac.uk/statswiki/FAQ/Corder?action=AttachFile&do=get&target=royston.pdf

FORTRAN 90 に書き換えたのが

as177.f90
https://jblevins.org/mirror/amiller/as177.f90

であるが,correc 関数中の定数 C3(4) の 2.157E6 が 2.1576E6 と誤転写されている模様(C に書き換えられたものもあったが 2.157E6 だった)。

なにはともあれ,Julia で最適化して(?)以下のコードを得る。

nscor1 が正確なもの。nscore2 は近似解。

using SpecialFunctions
using Distributions

function nscor1(n)
    """
    Exact calculation of Normal Scores
    """
    NSTEP = 721
    work = zeros(4, NSTEP)
    init!(work)
    n2 = div(n, 2)
    s = zeros(n2)
    h = 0.025
    c1 = logfactorial(n)
    d = c1 - log(n)
    for i in 1:n2
        i1 = i-1
        ni = n-i
        c = c1 - d
        scor = 0
        for j in 1:NSTEP
            scor += exp(work[2, j] + i1 * work[3, j] + ni * work[4, j] + c) * work[1, j]
        end
        s[i] = scor * h
        d += log(i / ni)
    end
    return s
end

function init!(work)
    xstart = -9
    h = 0.025
    pi2 = -0.918938533
    xx = xstart
    for i in 1:size(work, 2)
        work[1, i] = xx
        work[2, i] = pi2 - 0.5 * xx^2
        work[3, i] = log(ccdf(Normal(), xx))
        work[4, i] = log(cdf(Normal(), xx))
        xx = xstart + i * h
    end
end

近似解 nscor2 は以下

function nscor2(n)
    """
    Calculates approximate expected values of normal order statistics.
    claimed accuracy is 0.0001, though usually accurate to 5-6 dec.
    """
    eps = [0.419885, 0.450536, 0.456936, 0.468488]
    dl1 = [0.112063, 0.121770, 0.239299, 0.215159]
    dl2 = [0.080122, 0.111348, -0.211867, -0.115049]
    gam = [0.474798, 0.469051, 0.208597, 0.259784]
    lam = [0.282765, 0.304856, 0.407708, 0.414093]
    bb = -0.283833
    d = -0.106136
    b1 = 0.5641896
    n2 = div(n, 2)
    s = zeros(n2)
    s[1] = b1
    n == 2 && return
    k = 3
    n2  < k && (k = n2)
    for i in 1:k
        e1 = (i - eps[i]) / (n + gam[i])
        e2 = e1^lam[i]
        s[i] = e1 + e2 * (dl1[i] + e2 * dl2[i]) / n - correct(i, n)
    end
    if n2 != k
        for i in 4:n2
            l1 = lam[4] * bb / (i + d)
            e1 = (i - eps[4]) / (n + gam[4])
            e2 = e1^l1
            s[i] = e1 + e2 * (dl1[4] + e2 * dl2[4]) / n - correct(i, n)
        end
    end
    for i in 1:n2
        s[i] = -quantile(Normal(), s[i]) # -ppnd(s[i])
    end
    return s
end

function correct(i, n)
    """
    Calculates correction for tail area of the i-th largest of n order statistics.
    """
    c1 = [9.5, 28.7, 1.9, 0.0, -7.0, -6.2, -1.6]
    c2 = [-6195.0, -9569.0, -6728.0, -17614.0, -8278.0, -3570.0, 1075.0]
    c3 = [9.338e4, 1.7516e5, 4.1040e5, 2.157e6, 2.376e6, 2.065e6, 2.065e6]
    mic = 1e-6
    c14 = 1.9e-5
    i * n == 4 && return c14
    (i < 1 || i > 7) && return 0
    (i != 4 && n > 20) && return 0
    (i == 4 && n > 40) && return 0
    an = 1 / n^2
    return (c1[i] + an * (c2[i] + an * c3[i])) * mic
end

呼び出し方はいずれも同じ n だけを引数にして呼ぶ。

nscore1(30)

15-element Vector{Float64}:
 2.0427608445896133
 1.6155999007846518
 1.3648120475550987
 1.1785538961988162
 1.0260849654763988
 0.8943875579926721
 0.7766582371097811
 0.6688521087544627
 0.5683389891912317
 0.47328800401844007
 0.38235131764319513
 0.29448658895879626
 0.2088497011984587
 0.12472539951340163
 0.04147914900072655

nscor2(30)

15-element Vector{Float64}:
 2.042747144755947
 1.6155640427483784
 1.3648321622142314
 1.1749378349295097
 1.023401473812151
 0.892300080600137
 0.7750026028133499
 0.667520049660839
 0.5672570676344856
 0.47240515390672405
 0.38163143261223
 0.29390400347499945
 0.20838637645235597
 0.12436915904576364
 0.04122259874887312

 

 

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