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Add eCDF plot to SBC plots #1853
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| Original file line number | Diff line number | Diff line change | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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@@ -1688,6 +1688,7 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
| num_cols: int = 4, | ||||||||||||||||||
| params_in_subplots: bool = False, | ||||||||||||||||||
| show_ylabel: bool = False, | ||||||||||||||||||
| ylim: Optional[Tuple[float, float]] = (-0.125, 0.125), | ||||||||||||||||||
| sharey: bool = False, | ||||||||||||||||||
| fig: Optional[FigureBase] = None, | ||||||||||||||||||
| legend_kwargs: Optional[Dict] = None, | ||||||||||||||||||
|
|
@@ -1702,7 +1703,8 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
| obtained from different methods. | ||||||||||||||||||
| num_bins: number of bins used for binning the ranks, default is | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs / 20. | ||||||||||||||||||
| plot_type: type of SBC plot, histograms ("hist") or empirical cdfs ("cdf"). | ||||||||||||||||||
| plot_type: type of SBC plot, histograms ("hist"), empirical cdfs ("cdf") or | ||||||||||||||||||
| empirical cdf minus expected cdf ("cdf-diff") | ||||||||||||||||||
| parameter_labels: list of labels for each parameter dimension. | ||||||||||||||||||
| ranks_labels: list of labels for each set of ranks. | ||||||||||||||||||
| colors: list of colors for each parameter dimension, or each set of ranks. | ||||||||||||||||||
|
|
@@ -1718,6 +1720,7 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
| params_in_subplots: whether to show each parameter in a separate subplot, or | ||||||||||||||||||
| all in one. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel: whether to show ylabels and ticks. | ||||||||||||||||||
| ylim: limits on the y-axis | ||||||||||||||||||
|
Contributor
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. add, that this applies to the cdf-diff case only |
||||||||||||||||||
| sharey: whether to share the y-labels, ticks, and limits across subplots. | ||||||||||||||||||
| fig: figure object to plot in. | ||||||||||||||||||
| ax: axis object, must contain as many sublpots as parameters or len(ranks). | ||||||||||||||||||
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@@ -1738,10 +1741,12 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
| if isinstance(rank, Tensor): | ||||||||||||||||||
| ranks_list[idx]: np.ndarray = rank.numpy() # type: ignore | ||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||
| plot_types = ["hist", "cdf"] | ||||||||||||||||||
| assert plot_type in plot_types, ( | ||||||||||||||||||
| "plot type {plot_type} not implemented, use one in {plot_types}." | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| plot_types = ["hist", "cdf", "cdf-diff"] | ||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||
| if plot_type not in plot_types: | ||||||||||||||||||
| raise ValueError( | ||||||||||||||||||
| f"plot type {plot_type} not supported, use one in {plot_types}." | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
| if legend_kwargs is None: | ||||||||||||||||||
| legend_kwargs = dict(loc="best", handlelength=0.8) | ||||||||||||||||||
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@@ -1814,6 +1819,27 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| alpha=uniform_region_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| elif plot_type == "cdf-diff": | ||||||||||||||||||
| _plot_ranks_as_ecdf( | ||||||||||||||||||
| ranki[:, jj], # type: ignore | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| ranks_label=ranks_labels[ii], | ||||||||||||||||||
| color=f"C{ii}" if colors is None else colors[ii], | ||||||||||||||||||
| xlabel=f"posterior ranks {parameter_labels[jj]}", | ||||||||||||||||||
| # Show legend and ylabel only in first subplot. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel=jj == 0, | ||||||||||||||||||
| alpha=line_alpha, | ||||||||||||||||||
|
janfb marked this conversation as resolved.
|
||||||||||||||||||
| ylim=ylim, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| if ii == 0 and show_uniform_region: | ||||||||||||||||||
| _plot_ecdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| alpha=uniform_region_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| elif plot_type == "hist": | ||||||||||||||||||
| _plot_ranks_as_hist( | ||||||||||||||||||
| ranki[:, jj], # type: ignore | ||||||||||||||||||
|
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@@ -1855,25 +1881,49 @@ def _sbc_rank_plot( | |||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||
| plt.sca(ax) | ||||||||||||||||||
| ranki = ranks_list[0] | ||||||||||||||||||
| for jj in range(num_parameters): | ||||||||||||||||||
| _plot_ranks_as_cdf( | ||||||||||||||||||
| ranki[:, jj], # type: ignore | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| ranks_label=parameter_labels[jj], | ||||||||||||||||||
| color=f"C{jj}" if colors is None else colors[jj], | ||||||||||||||||||
| xlabel="posterior rank", | ||||||||||||||||||
| # Plot ylabel and legend at last. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel=jj == (num_parameters - 1), | ||||||||||||||||||
| alpha=line_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| if show_uniform_region: | ||||||||||||||||||
| _plot_cdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| alpha=uniform_region_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
| if plot_type == "cdf": | ||||||||||||||||||
| for jj in range(num_parameters): | ||||||||||||||||||
| _plot_ranks_as_cdf( | ||||||||||||||||||
| ranki[:, jj], # type: ignore | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| ranks_label=parameter_labels[jj], | ||||||||||||||||||
| color=f"C{jj}" if colors is None else colors[jj], | ||||||||||||||||||
| xlabel="posterior rank", | ||||||||||||||||||
| # Plot ylabel and legend at last. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel=jj == (num_parameters - 1), | ||||||||||||||||||
| alpha=line_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| if show_uniform_region: | ||||||||||||||||||
| _plot_cdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| alpha=uniform_region_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| elif plot_type == "cdf-diff": | ||||||||||||||||||
| for jj in range(num_parameters): | ||||||||||||||||||
| _plot_ranks_as_ecdf( | ||||||||||||||||||
| ranki[:, jj], # type: ignore | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| ranks_label=parameter_labels[jj], | ||||||||||||||||||
| color=f"C{jj}" if colors is None else colors[jj], | ||||||||||||||||||
| xlabel="posterior rank", | ||||||||||||||||||
| # Plot ylabel and legend at last. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel=jj == (num_parameters - 1), | ||||||||||||||||||
| alpha=line_alpha, | ||||||||||||||||||
|
janfb marked this conversation as resolved.
|
||||||||||||||||||
| ylim=ylim, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| if show_uniform_region: | ||||||||||||||||||
| _plot_ecdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs, | ||||||||||||||||||
| num_bins, | ||||||||||||||||||
| num_repeats, | ||||||||||||||||||
| alpha=uniform_region_alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
| # show legend on the last subplot. | ||||||||||||||||||
| plt.legend(**legend_kwargs) | ||||||||||||||||||
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@@ -1982,6 +2032,71 @@ def _plot_ranks_as_cdf( | |||||||||||||||||
| plt.xlabel("posterior rank" if xlabel is None else xlabel) | ||||||||||||||||||
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| def _plot_ranks_as_ecdf( | ||||||||||||||||||
|
Contributor
There was a problem hiding this comment. Choose a reason for hiding this commentThe reason will be displayed to describe this comment to others. Learn more. I suggest to rename this helper funcation to |
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| ranks: np.ndarray, | ||||||||||||||||||
| num_bins: int, | ||||||||||||||||||
| num_repeats: int, | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs: int, | ||||||||||||||||||
| ranks_label: Optional[str] = None, | ||||||||||||||||||
| xlabel: Optional[str] = None, | ||||||||||||||||||
| color: Optional[str] = None, | ||||||||||||||||||
| alpha: float = 0.8, | ||||||||||||||||||
| show_ylabel: bool = True, | ||||||||||||||||||
| num_ticks: int = 3, | ||||||||||||||||||
|
janfb marked this conversation as resolved.
|
||||||||||||||||||
| ylim: Optional[tuple[float, float]] = None, | ||||||||||||||||||
|
Contributor
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Suggested change
Contributor
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||||||||||||||||||
| ) -> None: | ||||||||||||||||||
| """Plot ranks as a delta of the empirical CDFs to the expected CDF | ||||||||||||||||||
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Contributor
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Suggested change
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| Args: | ||||||||||||||||||
| ranks: SBC ranks in shape (num_sbc_runs, ) | ||||||||||||||||||
| num_bins: number of bins for the histogram, recommendation is num_sbc_runs / 20. | ||||||||||||||||||
| num_repeats: number of repeats of each CDF step, i.e., resolution of the eCDF. | ||||||||||||||||||
| ranks_label: label for the ranks, e.g., when comparing ranks of different | ||||||||||||||||||
| methods. | ||||||||||||||||||
| xlabel: label for the current parameter | ||||||||||||||||||
| color: line color for the cdf. | ||||||||||||||||||
| alpha: line transparency. | ||||||||||||||||||
| show_ylabel: whether to show y-label. | ||||||||||||||||||
| num_ticks: number of ticks on the x-axis. | ||||||||||||||||||
| ylim: limits on the y-axis | ||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
| """ | ||||||||||||||||||
| # Construct uniform histogram. | ||||||||||||||||||
| uni_bins = binom(num_sbc_runs, p=1 / (num_bins)).ppf(0.5) * np.ones(num_bins) | ||||||||||||||||||
| uni_bins_cdf = uni_bins.cumsum() / uni_bins.sum() | ||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
| # Compute the mean to substract to all cdfs | ||||||||||||||||||
| means = [binom(num_sbc_runs, p=p).ppf(0.5) for p in uni_bins_cdf] | ||||||||||||||||||
| means_norm = means / np.max(means) | ||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
| # Generate histogram of ranks. | ||||||||||||||||||
| hist, *_ = np.histogram(ranks, bins=num_bins, density=False) | ||||||||||||||||||
| # Construct empirical CDF, don't include last bin because it is 1 by default | ||||||||||||||||||
| histcs = hist.cumsum() | ||||||||||||||||||
| histcs_norm = histcs / histcs.max() | ||||||||||||||||||
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| # Plot cdf and repeat each stair step | ||||||||||||||||||
| plt.plot( | ||||||||||||||||||
| np.linspace(0, 1, num_repeats * (num_bins - 1)), | ||||||||||||||||||
| np.repeat(histcs_norm[:-1] - means_norm[:-1], num_repeats), | ||||||||||||||||||
| label=ranks_label, | ||||||||||||||||||
| color=color, | ||||||||||||||||||
| alpha=alpha, | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
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|
||||||||||||||||||
| if show_ylabel: | ||||||||||||||||||
| plt.ylabel("empirical CDF - expected CDF") | ||||||||||||||||||
|
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||||||||||||||||||
| if ylim is not None: | ||||||||||||||||||
| plt.ylim(ylim) | ||||||||||||||||||
| else: | ||||||||||||||||||
| plt.ylim(-0.125, 0.125) | ||||||||||||||||||
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| plt.xlim(0, 1) | ||||||||||||||||||
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janfb marked this conversation as resolved.
Comment on lines
+2090
to
+2095
Contributor
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Suggested change
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| plt.xticks(np.linspace(0, 1, num_ticks)) | ||||||||||||||||||
| plt.xlabel("posterior rank" if xlabel is None else xlabel) | ||||||||||||||||||
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| def _plot_cdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs: int, | ||||||||||||||||||
| num_bins: int, | ||||||||||||||||||
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@@ -2012,6 +2127,41 @@ def _plot_cdf_region_expected_under_uniformity( | |||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||
| def _plot_ecdf_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs: int, | ||||||||||||||||||
| num_bins: int, | ||||||||||||||||||
| num_repeats: int, | ||||||||||||||||||
| alpha: float = 0.2, | ||||||||||||||||||
| color: str = "gray", | ||||||||||||||||||
| ) -> None: | ||||||||||||||||||
| """Plot region of empirical ecdfs expected under uniformity on the current axis.""" | ||||||||||||||||||
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| # Construct uniform histogram. | ||||||||||||||||||
| uni_bins = binom(num_sbc_runs, p=1 / num_bins).ppf(0.5) * np.ones(num_bins) | ||||||||||||||||||
| uni_bins_cdf = uni_bins.cumsum() / uni_bins.sum() | ||||||||||||||||||
| # Decrease value one in last entry by epsilon to find valid | ||||||||||||||||||
| # confidence intervals. | ||||||||||||||||||
| uni_bins_cdf[-1] -= 1e-9 | ||||||||||||||||||
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| # Compute the mean, lower and upper bounds | ||||||||||||||||||
| lower = [binom(num_sbc_runs, p=p).ppf(0.005) for p in uni_bins_cdf] | ||||||||||||||||||
| upper = [binom(num_sbc_runs, p=p).ppf(0.995) for p in uni_bins_cdf] | ||||||||||||||||||
| means = [binom(num_sbc_runs, p=p).ppf(0.5) for p in uni_bins_cdf] | ||||||||||||||||||
| means_norm = means / np.max(means) | ||||||||||||||||||
| lower_norm = lower / np.max(lower) | ||||||||||||||||||
| upper_norm = upper / np.max(upper) | ||||||||||||||||||
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| # Plot grey area with expected ECDF. | ||||||||||||||||||
| plt.fill_between( | ||||||||||||||||||
| x=np.linspace(0, 1, num_repeats * (num_bins - 1)), | ||||||||||||||||||
| y1=np.repeat(lower_norm[:-1] - means_norm[:-1], num_repeats), | ||||||||||||||||||
| y2=np.repeat(upper_norm[:-1] - means_norm[:-1], num_repeats), # pyright: ignore[reportArgumentType] | ||||||||||||||||||
| color=color, | ||||||||||||||||||
| alpha=alpha, | ||||||||||||||||||
| label="expected under uniformity", | ||||||||||||||||||
| ) | ||||||||||||||||||
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| def _plot_hist_region_expected_under_uniformity( | ||||||||||||||||||
| num_sbc_runs: int, | ||||||||||||||||||
| num_bins: int, | ||||||||||||||||||
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we should actually make this required here and have the default at the top, user facing level: