ADMB

الموسوعة الحرة

ADMB أو AD Model Builder عبارة عن مجموعة برامج مجانية ومفتوحة المصدر لنمذجة الإحصاءات غير الخطية . [ 3 ] [ 4 ] أنشأها ديفيد فورنييه، ويجري تطويرها حاليًا بواسطة مشروع ADMB، وهو مشروع تابع لمؤسسة ADMB غير الربحية. يشير اختصار "AD" في AD Model Builder إلى إمكانيات التفاضل التلقائي التي توفرها مكتبة AUTODIF ، وهي امتداد للغة C++ أنشأه أيضًا ديفيد فورنييه، وتُنفذ التفاضل التلقائي في الوضع العكسي. [ 5 ] توفر حزمة برامج ذات صلة، ADMB-RE ، دعمًا إضافيًا لنمذجة التأثيرات العشوائية . [ 6 ]

الميزات والاستخدام

تم دمج أساليب مونت كارلو لسلاسل ماركوف في برنامج ADMB، مما يجعله مفيدًا للنمذجة البايزية . [ 7 ] بالإضافة إلى النماذج الهرمية البايزية، يوفر ADMB دعمًا لنمذجة التأثيرات العشوائية في إطار إحصائي تكراري باستخدام تقريب لابلاس وأخذ العينات المهمة. [ 6 ]

يُستخدم برنامج ADMB على نطاق واسع من قِبل العلماء في المؤسسات الأكاديمية والهيئات الحكومية واللجان الدولية، [ 8 ] وخاصةً في النمذجة البيئية. وعلى وجه الخصوص، تم بناء العديد من نماذج تقييم مخزون الأسماك باستخدام هذا البرنامج. [ 9 ] يتوفر برنامج ADMB مجانًا بموجب ترخيص BSD الجديد ، [ 10 ] مع إصدارات متوفرة لأنظمة التشغيل Windows و Linux و Mac OS X و OpenSolaris . [ 10 ] تم إتاحة شفرة المصدر لبرنامج ADMB للعموم في مارس 2009. [ 11 ] [ 12 ]

التاريخ والخلفية

تطبيق

حفّزت أعمال ديفيد فورنييه في سبعينيات القرن الماضي حول تطوير نماذج إحصائية متكاملة ذات معلمات عالية في مجال مصايد الأسماك، تطوير مكتبة AUTODIF، وفي نهاية المطاف برنامج ADMB. وتكون معادلات الاحتمالية في هذه النماذج عادةً غير خطية، ويتم الحصول على تقديرات المعلمات باستخدام الطرق العددية.

في المراحل الأولى من عمل فورنييه، اتضح أن الحلول العددية العامة لمسائل الاحتمالية هذه لا يمكن التوصل إليها بشكل موثوق إلا باستخدام خوارزميات تقليل الدوال التي تتضمن معلومات دقيقة حول تدرجات سطح الاحتمالية. كما يجب حساب التدرجات (أي المشتقات الجزئية للاحتمالية بالنسبة لجميع متغيرات النموذج) بنفس دقة حساب الاحتمالية نفسها.

قام فورنييه بتطوير بروتوكول لكتابة التعليمات البرمجية لحساب المشتقات المطلوبة بناءً على قاعدة السلسلة في حساب التفاضل والتكامل. يشبه هذا البروتوكول إلى حد كبير مجموعة الطرق التي عُرفت فيما بعد باسم التفاضل التلقائي في الوضع العكسي . [ 13 ]

تتضمن النماذج الإحصائية التي تستخدم هذه الأساليب [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] عادةً ثمانية أجزاء من التعليمات البرمجية المكونة لها:

  1. دالة الهدف؛
  2. رمز مساعد لحساب المشتقات الجزئية لدالة الهدف بالنسبة للمعلمات المراد تقديرها؛
  3. ذاكرة مخصصة لاحتواء البيانات الوسيطة لحسابات المشتقات، والمعروفة باسم "مكدس التدرج"، والبرنامج لإدارتها؛
  4. دالة تصغير؛
  5. خوارزمية للتحقق من صحة المشتقات فيما يتعلق بتقريبات الفروق المحدودة؛
  6. خوارزمية لإدخال معلمات النموذج في متجه يمكن معالجته بواسطة مُصغِّر الدالة ورمز المشتق المقابل؛
  7. خوارزمية لإعادة قيم المعلمات إلى حساب الاحتمالية ورمز المشتق المقابل؛ و
  8. خوارزمية لحساب المشتقات الجزئية الثانية لدالة الهدف بالنسبة للمعلمات المراد تقديرها، وهي مصفوفة هيسيان .

عادةً ما يهتم مطورو النماذج بالعنصر الأول فقط من هذه العناصر. وأي أدوات برمجة قادرة على تقليل عبء تطوير وصيانة العناصر السبعة الأخرى ستزيد إنتاجيتهم بشكل كبير.

بدأ بيارن ستروستروب تطوير لغة C++ في سبعينيات القرن الماضي في مختبرات بيل كتحسين للغة البرمجة C. انتشرت C++ على نطاق واسع، وبحلول عام 1989، أصبحت مترجمات C++ متاحة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية. يتيح تعدد أشكال C++ إمكانية تصور نظام برمجي يمكن فيه إعادة تحميل جميع المعاملات والدوال الرياضية لحساب مساهمات المشتقات لكل عملية حسابية قابلة للتفاضل في أي برنامج حاسوبي تلقائيًا.

أبحاث القضاعة

أسس فورنييه شركة Otter Research Ltd. عام 1989، وبحلول عام 1990، تضمنت مكتبة AUTODIF فئات خاصة لحساب المشتقات، بالإضافة إلى الدوال المُحمّلة اللازمة لجميع عوامل C++ وجميع الدوال في مكتبة الرياضيات القياسية للغة C++. تحسب مكتبة AUTODIF مشتقات دالة الهدف تلقائيًا بنفس دقة دالة الهدف نفسها، مما يُعفي المطور من عناء كتابة وصيانة كود المشتقات للنماذج الإحصائية. وبنفس القدر من الأهمية من منظور تطوير النماذج، تتضمن مكتبة AUTODIF "مكدس التدرج"، ومُصغِّر دالة شبه نيوتن، ومُدقِّق المشتقات، وفئات حاويات للمتجهات والمصفوفات. نُشر أول تطبيق لمكتبة AUTODIF عام 1992 [ 18 ].

مع ذلك، لا تُعفي مكتبة AUTODIF المطور تمامًا من كتابة جميع مكونات النموذج المذكورة أعلاه. في عام ١٩٩٣، قام فورنييه بتبسيط كتابة النماذج الإحصائية بشكل أكبر من خلال إنشاء ADMB، وهي لغة "قوالب" خاصة لتبسيط تحديد النموذج عبر إنشاء أدوات لتحويل النماذج المكتوبة باستخدام القوالب إلى تطبيقات مكتبة AUTODIF. تُنتج ADMB شيفرة لإدارة تبادل معلمات النموذج بين النموذج ومُصغِّر الدالة، وتحسب تلقائيًا مصفوفة هيسيان، ثم تعكسها لتقديم تقدير لتغاير المعلمات المُقدَّرة. وبذلك، تُكمل ADMB تحرير مطور النموذج من جميع الأعباء المُرهقة لإدارة التحسين غير الخطي، مما يُتيح له التركيز على الجوانب الأكثر أهمية في النموذج الإحصائي.

بحلول منتصف التسعينيات، حظي نموذج ADMB بقبول واسع بين الباحثين العاملين في جميع جوانب إدارة الموارد. تُستخدم نماذج السكان القائمة على ADMB لرصد مجموعة متنوعة من الأنواع المهددة بالانقراض، بالإضافة إلى أعداد الأسماك ذات القيمة التجارية، بما في ذلك الحيتان والدلافين وأسود البحر والبطاريق والقطرس وأذن البحر وجراد البحر والتونة والمارلين وأسماك القرش والشفنين والأنشوجة والبولوك. كما استُخدم ADMB لإعادة بناء مسارات العديد من أنواع الحيوانات التي تم تتبعها باستخدام علامات إلكترونية.

في عام 2002، تعاون فورنييه مع هانز سكاوغ لإدخال التأثيرات العشوائية في نموذج ADMB. وشمل هذا التطوير الحساب التلقائي للمشتقات الثانية والثالثة واستخدام التفاضل التلقائي في الوضع الأمامي متبوعًا بعمليتي مسح لنموذج AD العكسي في بعض الحالات.

مشروع ADMB

في عام ٢٠٠٧، انتابت مجموعة من مستخدمي ADMB، من بينهم جون سيبرت ومارك ماوندر وأندرس نيلسن، مخاوف بشأن تطوير ADMB وصيانته على المدى الطويل. وتم التوصل إلى اتفاق مع شركة Otter Research لبيع حقوق النشر الخاصة بـ ADMB بهدف جعله مشروعًا مفتوح المصدر وتوزيعه مجانًا. وتم إنشاء مؤسسة ADMB غير الربحية لتنسيق تطوير ADMB وتعزيز استخدامه. وقامت المؤسسة بصياغة مقترح لمؤسسة غوردون وبيتي مور للحصول على تمويل لشراء ADMB من Otter Research. وقدمت مؤسسة مور منحة للمركز الوطني للتحليل والتركيب البيئي في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا في أواخر عام ٢٠٠٧، ليتمكن مجلس أمناء جامعة كاليفورنيا من شراء حقوق ADMB. واكتملت عملية الشراء في منتصف عام ٢٠٠٨، ونُشرت مكتبات ADMB الكاملة على موقع مشروع ADMB الإلكتروني في ديسمبر من العام نفسه. وبحلول مايو ٢٠٠٩، تجاوز عدد مرات تحميل المكتبات ٣٠٠٠ مرة. تم توفير شفرة المصدر في ديسمبر 2009. وفي منتصف عام 2010، تم دعم ADMB على جميع أنظمة التشغيل الشائعة (Windows وLinux وMacOS وSun/SPARC)، ولجميع مترجمات C++ الشائعة (GCC وVisual Studio وBorland)، ولكل من معمارية 32 و64 بت.

ركزت جهود مؤسسة ADMB خلال العامين الأولين من مشروع ADMB على أتمتة بناء ADMB لمنصات مختلفة، وتبسيط عملية التثبيت، وإنشاء بيئات عمل سهلة الاستخدام. وتشمل التطورات التقنية المخطط لها موازاة العمليات الحسابية الداخلية، وتطبيق خوارزمية ماركوف مونت كارلو الهجينة، وتحسين المصفوفة المتفرقة الكبيرة لاستخدامها في نماذج التأثيرات العشوائية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الفريق الأساسي لـ ADMB" .
  2. ↑ "إصدارات ADMB" .
  3. ↑ "admb-project" . مشروع ADMB. مؤرشف من الأصل في 3 مارس 2009. تم الاسترجاع في 1 أبريل 2009 .
  4. ↑ فورنييه، د.أ.، هـ.ج. سكوغ، ج. أنشيتا، ج. إيانيلي، أ. ماغنوسون، م.ن. ماوندر، أ. نيلسن، و ج. سيبرت. 2012. منشئ نموذج AD: استخدام التفاضل التلقائي للاستدلال الإحصائي للنماذج غير الخطية المعقدة ذات المعلمات الكثيرة. أساليب التحسين والبرمجيات 27: 233-249
  5. ↑ "AUTODIF: إضافة للغة C++ للتعامل مع المصفوفات مع التفاضل التلقائي للاستخدام في النمذجة غير الخطية والإحصاء" (ملف PDF) . مشروع ADMB. مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 11 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2008 .
  6. 1 2 "التأثيرات العشوائية في أداة إنشاء نماذج الإعلان: دليل مستخدم ADMB-RE" (ملف PDF) . مشروع ADMB. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 11 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2008 .
  7. ↑ "مقدمة إلى برنامج AD Model Builder الإصدار 9.0.0" (ملف PDF) . مشروع ADMB. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 4 يناير 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2008 .
  8. ↑ "قاعدة مستخدمي ADMB والتطبيقات الرئيسية" . مشروع ADMB. مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 ديسمبر 2008 .
  9. ↑ "قائمة المراجع: تقييمات الأسهم" . مشروع ADMB . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2008-12-03 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  10. 1 2 "تنزيلات ADMB" . مشروع ADMB . تم الاسترجاع في 28-07-2010 .
  11. ↑ "بيان صحفي من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا: "برنامج تقييم مخزون الأسماك متاح الآن للجمهور"" جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا . تم الاسترجاع في 9 ديسمبر 2008. "
  12. ↑ "شفرة مصدر ADMB متاحة" . مشروع ADMB. مؤرشف من الأصل بتاريخ 18-04-2010 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14-05-2009 .
  13. ↑ أ. غريوانك وجي إف كورليس (محرران). التفاضل التلقائي للخوارزميات: النظرية والتنفيذ والتطبيق. جمعية الرياضيات الصناعية والتطبيقية. 1992.
  14. ↑ د. فورنييه وإ. دونان. طريقة لتقييم المخزون تعتمد على الطول باستخدام نموذج التأخير والفرق المعمم . المجلة الكندية لعلوم مصايد الأسماك والأحياء المائية، 44(2):422-437، 1987.
  15. ↑ د. فورنييه وأ. واربورتون. تقييم نماذج إدارة مصايد الأسماك من خلال التحكم التكيفي المحاكي - تقديم النموذج المركب . المجلة الكندية لعلوم مصايد الأسماك والأحياء المائية. 46(6):1002-1012، 1989.
  16. ↑ د. فورنييه، ج. سيبرت، ج. ماجكوفسكي، وج. هامبتون. MULTIFAN: طريقة قائمة على الاحتمالية لتقدير معلمات النمو والتركيب العمري من مجموعات بيانات تردد الطول المتعددة، موضحة باستخدام بيانات سمك التونة الجنوبية الزرقاء (Thunnus maccoyii) . المجلة الكندية لعلوم مصايد الأسماك والأحياء المائية، 47(2): 301-317، 1990.
  17. ↑ ج. سيبرت، ج. هامبتون، د. فورنييه، وب. بيلز. نموذج الحمل والانتشار والتفاعل لتقدير معلمات حركة الأسماك من بيانات الوسم، مع تطبيق على سمك التونة الوثابة (Katsuwonus pelamis) . المجلة الكندية لعلوم مصايد الأسماك والأحياء المائية، 56(6):925-938، 1999.
  18. ↑ كيه إن هولاند، آر. بريل، آر. تشانغ، جيه. سيبرت، ودي. فورنييه. التجمع الحراري الفسيولوجي والسلوكي في سمك التونة ذي العين الكبيرة (Thunnus obesus) . مجلة نيتشر، 358: 410-412، 1992.
  • لتحميل برامج التثبيت والأدلة وشفرة المصدر: مشروع ADMB ، مؤرشف بتاريخ 12 ديسمبر 2008 على موقع Wayback Machine
  • لدعم مشروع ADMB: مؤسسة ADMB
  • المطور الأصلي لـ ADMB: شركة أوتر ريسيرش المحدودة