杨振伟 清华大学 第五讲：ROOT在数据分析中的应用(3)

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1 杨振伟 清华大学 第五讲：ROOT在数据分析中的应用(3)
粒子物理与核物理实验中的数据分析 杨振伟 清华大学 第五讲：ROOT在数据分析中的应用(3)

2 上讲摘要 ROOT的TTree类 TTree *tree = new TTree(“tree”,”mytree”);
tree->Branch(“br1”,&br1,”br1/F”); 填充tree，将tree写入root文件 tree->Fill(); //填充 TFile *f = new TFile(“f1.root”,”recreate”); tree->Write(); //写入root文件 查看root文件中tree的信息 TFile *f = new TFile(“f1.root”); f->ls(); TTree *tree = (TTree*)f->Get(“tree”); tree->Scan(),tree->Show(i),tree->Print() 处理tree格式相同的多个文件root文件: TChain TChain *chain = new TChain(); chain->Add(“f1.root/treename”);

3 本讲要点 直方图的运算 加减乘除： Add,Divide,... 归一化：Scale ROOT中直方图拟合 h1->Fit();

4 直方图归一化(1) http://root.cern.ch/root/html522/TH1.html#TH1:Scale 直方图的归一化
void TH1::Scale(Double_t c1, Option_t *option) 默认c1=1，把直方图每个区间的值(BinContent)乘以c1 假设 sum=h1->Integral() h1->Scale(c1)之后， h1->Integral() = c1*sum 不加参数时，h1->Scale() 没有变化(默认c1=1) "归一化"后，不仅BinContent变化了，BinError也变化了

5 直方图的归一化(2) 归一化常用于比较两种分布，找出区别。 所以，将2个直方图归一化到积分相同进行比较才直观。
root[0]TH1F *h1=new TH1F("h1","",100,-5,5); root[1]TH1F *h2=new TH1F("h2","",100,-5,5); root[2]h1->FillRandom("gaus",5000); root[3]h2->FillRandom("gaus",10000); root[4]float norm=1000; root[5]h1->Scale(norm/h1->Integral()); root[6]h2->Scale(norm/h2->Integral()); root[7]h1->Draw("e"); root[8]h2->Draw(“esames”) ; 注意Draw()函数的选项 "归一化"之后，h1或h2->Integral()=norm 在同一张图上可以看出比较2个分布的差别。

6 直方图四则运算(1) 重要提示： 对直方图进行四则运算操作，一定要想明白运算的意义 比如两个直方图的相加与两个随机变量的卷积有什么区别
2. 两个直方图的四则运算，区间大小和区间数相同才有意义 四则运算"加减乘除"分别对应 统计量(BinContent)的相加、相减、相乘、相除 3. 如果需要正确处理统计误差，需要在对ROOT脚本中 调用TH1的某个静态成员函数，即 TH1::SetDefaultSumw2(); void SetDefaultSumw2(Bool_t sumw2 = kTRUE) //static function. When this static function is called with sumw2=kTRUE, all new histograms will automatically activate the storage of the sum of squares of errors, ie TH1::Sumw2 is automatically called.

7 直方图的四则运算(2) 相加：常用于相同实验的数据叠加，增加统计量。 ......
root[1]TH1::SetDefaultSumw2(); root[1]TH1F *h3=new TH1F(*h1); root[2]h3->Add(h1,h2,a,b); 结果：h3的BinContent被a*h1+b*h2替换，一般a=b=1 相加：常用于相同实验的数据叠加，增加统计量。 ...... root[1]TH1F *h3=new TH1F(*h1); root[2]h3->Sumw2();//也可在定义h3前TH1::SetDefaultSumw2(); root[3]h3->Add(h1,h2,a,-b); 结果：h3的BinContent被a*h1+b*h2替换，一般a=-b=1 相减：常用于从实验测量的分布中扣除本底。

8 直方图的四则运算(3) 相除 root[1]TH1F *h3=new TH1F(*h1); root[2]h3->Sumw2();
常用于效率的计算。 root[1]TH1F *h3=new TH1F(*h1); root[2]h3->Sumw2(); root[3]h3->Divide(h1,h2,a,b); root[4]h3->Divide(h1,h2,a,b); 思考：如果h1和h2不独立，怎么办？比如h1包含于h2 root[4]h3->Divide(h1,h2,a,b,"B"); 相乘 常用于对分布进行诸如效率等的修正。 root>TH1F *h3=new TH1F(*h1); root>h3->Sumw2(); root>h3->Multiply(h1,h2,a,b);

9 直方图四则运算的误差处理 虽然ROOT都提供了较完善的一维直方图运算功能，但对最终结果的误差一定要仔细检查。很多情况下，用户需要从图中读出各频数数值与误差值，并确认运算无误。 包括归一化和加减乘除在内， 如果希望使用直方图的误差，都需要调用 TH1::SetDefaultSumw2(); 或者，对每个直方图(如hist)调用 hist->Sumw2();

10 拟合直方图(1) 将鼠标放到直方图上，右键，出现直方图操作选项，选择FitPanel，可以在FitPanel中选择拟合的各个选项，比如用什么函数拟合，拟合的区间，等等。

11 拟合直方图(2) 并不推荐这种拟合方式: 1)不适合自定义函数拟合 2)不适合批处理
用默认的高斯拟合，并在Options菜单中选上Fit Parameters选项，可以看到拟合的结果。 拟合结果给出了高斯分布的3个参数: 常系数、均值、均方差，以及拟合的好坏chi2/ndf 并不推荐这种拟合方式: 1)不适合自定义函数拟合 2)不适合批处理

12 下载本讲的例子 cd <your workding directory>
cp -r ~yangzw/examples/Lec5 . 或者下载到自己本地机器上： scp -r . wget hep.tsinghua.edu.cn/~yangzw/CourseDataAna/examples/Lec5.tgz tar -zxvf Lec5.tgz

13 拟合直方图(3) /home/yangzw/examples/Lec5/ex51.C
hpx->Fit("gaus"); hpx->Fit("gaus","","",-3,3); 自定义拟合函数 TF1 *fcn = new TF1("fcn","gaus",-3,3); hpx->Fit(fcn,”R”); gStyle->SetOptFit();//设置拟合选项 拟合前往往需要给出合理的参数初值 fcn->SetParameters(500,mean,sigma); 拟合后取出拟合得到的参数 Double_t mypar[3]; fcn->GetParameters(&mypar[0]); 运行：root -l root [0] .L ex51.C root [1] ex51r() root [2] ex51r2() 用自定义的函数拟合直方图

14 拟合直方图(3) /home/yangzw/examples/Lec5/ex52.C
共振峰(Breit-Wigner分布)加上二次函数本底的拟合(一共6个参数) 这是下面例子的简化版： $ROOTSYS/tutorials/fit/FittingDemo.C 先自定义本底函数(background)和共振峰函数(lorentianPeak)，再定义这两个函数的和为拟合函数:fitFunction 利用fitFunction定义TF1函数 TF1 *fitFcn = new TF1("fitFcn",fitFunction,0,3,6); 这里指定函数区间为0-3，6个参数 fitFcn->SetParameter(4, 0.2); 为某个参数设初值(width) fitFcn->SetParLimits(5, 0.6,1.4); 为某参数设置取值范围 运行：root -l root [0] .L ex52.C 注意TLegend的使用

15 ROOT小结 设定ROOT环境变量: ROOTSYS，PATH，LD_LIBRARY_PATH 绘制各种直方图，散点图，数学函数
TH1F，TH2F，TF1，... 随机数产生子，各种分布 gRandom->Rndm,Uniform,Gaus,Exp,... 创建、保存root文件 TFile *f = new TFile("myfile.root”,”recreate"); f->Write(); TTree, TChain的使用 TTree *mytree = new TTree("mytree”,”my tree"); mytree->Branch( ); 用TChain分析相同格式的数据文件。 直方图的运算，拟合 h1->Fit("function_name");

16 ROOT的重要功能或用法(1) ROOT手册13、14章分别是数学库和线性代数，提供很多数学功能，比如Lorentz矢量的操作，特殊函数，矩阵求解运算，求极值等等 ROOT手册第4章介绍Graphs，适用于不等距数据的图形分析(当然也可以构造不等bin的直方图) RooFit，最大似然法拟合等 神经网络分析方法,TMVA(多元数据分析) ROOT中使用PYTHIA、Geant3/4 图形接口...

17 ROOT的重要功能或用法(2) MakeClass,MakeSelector的运用
比如当前/home/yangzw/examples/Lec5/目录下有文件ex51.root，其中含有复杂的tree。可以用MakeClass或MakeSelector自动产生分析文件和头文件： root [0] TFile f("ex51.root"); root [1] .ls TFile** ex51.root TFile* ex51.root KEY: TTree t4;1 Reconst events root [2] t4->MakeClass(); 或： t4->MakeClass(“MyClass”); 自动产生以t4.h和t4.C文件， 或MyClass.h和MyClass.C文件。 类的定义以及Branch地址设定、分析框架都已经自动完成。 MakeSelector的用法类似： root [0] TFile f("ex51.root"); root [1] t4->MakeSelector(); 或 t4->MakeSelector(“MySelector”);

18 ROOT的重要功能或用法(3) 独立编译程序进行ROOT分析
尽管在ROOT环境中运行ROOT脚本很方便，但如果分析处理的东西比较复杂，需要长时间运行，独立编译运行比在ROOT环境中运行要快很多，大约有数量级的差别。 /home/yangzw/examples/Lec5/standalone目录是独立编译运行ROOT的例子。这实际上是SDA习题3.7c的一部分。 进入standalone目录后，gmake进行编译就可以运行。 比较make后运行可执行文件所需时间与直接 root -l ex37c.C的运行时间差别。

19 习题 练习需要的root文件都存放在下面目录里： /home/yangzw/examples/Lec5/exercise/
1. 查看该double_gaus.root文件。其中存储了名为tree1的TTree。画出tree1中pz的分布，并对该分布进行拟合，在图上显示出拟合的结果，并在屏幕上打印出拟合结果。 （提示：该分布为两个高斯的叠加，可以自定义一个包含6个参数的TF1进行拟合，分布比较复杂的时候，需要先估计参数的大概值，为拟合函数预设估计值。） 思考：假设函数fun=p0*exp(-(x-p1)^2/2/p2^2) +p3*exp(-(x-p4)^2/2/p5^2) 由拟合得到的结果，比较两个高斯的份额 2. hist.root中有两个直方图，对这两个直方图进行加减乘除运算。除法时，查看用”B”选项和不用“B”选项时误差的不同。 (提示：h1的事例包含于h2的事例，计算误差需要用”B”选项) 3. 利用1.root和2.root，将其中的px分别画到两个直方图h1，h2中。对h1，h2进行加减乘除运算，查看误差情况。比较调用与不调用Sumw2()的差别。

20 参考资料 ROOT手册第5章：Fitting Histogram $ROOTSYS/tutorials/fit目录中的例子
中与Fit有关的例子