Mac binaries
[jabaws.git] / website / archive / binaries / mac / src / disembl / Tisean_3.0.1 / source_c / lyap_spec.c
diff --git a/website/archive/binaries/mac/src/disembl/Tisean_3.0.1/source_c/lyap_spec.c b/website/archive/binaries/mac/src/disembl/Tisean_3.0.1/source_c/lyap_spec.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5a02311
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,574 @@
+/*
+ *   This file is part of TISEAN
+ *
+ *   Copyright (c) 1998-2007 Rainer Hegger, Holger Kantz, Thomas Schreiber
+ *
+ *   TISEAN is free software; you can redistribute it and/or modify
+ *   it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ *   the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
+ *   (at your option) any later version.
+ *
+ *   TISEAN is distributed in the hope that it will be useful,
+ *   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ *   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ *   GNU General Public License for more details.
+ *
+ *   You should have received a copy of the GNU General Public License
+ *   along with TISEAN; if not, write to the Free Software
+ *   Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
+ */
+/*Author: Rainer Hegger, last modified Dec 4, 2005  */
+/*Changes:
+  7/14/05: Changed borders of the sort routine to speed things up
+  11/25/05: Show also absolute forecast errors
+  12/04/05: Some more changes in sort
+  12/20/05: Change in increase neighborhood size loop
+  12/28/05: Found bug in memory allocation (index)
+*/
+
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <math.h>
+#include <limits.h>
+#include <time.h>
+#include <string.h>
+#include "routines/tsa.h"
+
+#define WID_STR "Estimates the spectrum of Lyapunov exponents using the\n\t\
+method of Sano and Sawada."
+
+#define OUT 10
+
+#define BOX 512
+#define EPSMAX 1.0
+#define DELAY 1
+
+char epsset=0,stdo=1;
+char INVERSE,*outfile=NULL;
+char *infile=NULL;
+char dimset=0;
+char *COLUMNS=NULL;
+unsigned long LENGTH=ULONG_MAX,ITERATIONS,exclude=0;
+unsigned int EMBED=2,DIMENSION=1/*,DELAY=1*/,MINNEIGHBORS=30;
+unsigned int verbosity=0xff;
+double EPSSTEP=1.2;
+
+double **series,*averr,avneig=0.0,aveps=0.0;
+double **mat,*vec,*abstand;
+double epsmin;
+long imax=BOX-1,count=0;
+long **box,*list;
+unsigned long *found;
+unsigned int alldim,**indexes;
+
+void show_options(char *progname)
+{
+  what_i_do(progname,WID_STR);
+  fprintf(stderr," Usage: %s [options]\n",progname);
+  fprintf(stderr," Options:\n");
+  fprintf(stderr,"Everything not being a valid option will be interpreted"
+          " as a possible"
+          " datafile.\nIf no datafile is given stdin is read. Just - also"
+          " means stdin\n");
+  fprintf(stderr,"\t-l # of datapoints [default is whole file]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-x # of lines to be ignored [default is 0]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-c column to read[default 1]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-m # of components,embedding dimension [default %d,%d]\n",
+         DIMENSION,EMBED);
+  //  fprintf(stderr,"\t-d delay  [default %d]\n",DELAY);
+  fprintf(stderr,"\t-r epsilon size to start with [default "
+  "(data interval)/1000]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-f factor to increase epsilon [default: 1.2]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-k # of neighbors to use [default: 30]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-n # of iterations [default: length]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-I invert the time series [default: no]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-o name of output file [default 'datafile'.lyaps]\n");
+  fprintf(stderr,"\t-V verbosity level [default: 1]\n\t\t"
+          "0='only panic messages'\n\t\t"
+          "1='+ input/output messages'\n");
+  fprintf(stderr,"\t-h show these options\n");
+  fprintf(stderr,"\n");
+  exit(0);
+}
+
+void scan_options(int n,char **argv)
+{
+  char *out;
+  
+  if ((out=check_option(argv,n,'l','u')) != NULL)
+    sscanf(out,"%lu",&LENGTH);
+  if ((out=check_option(argv,n,'x','u')) != NULL)
+    sscanf(out,"%lu",&exclude);
+  if ((out=check_option(argv,n,'c','s')) != NULL)
+    COLUMNS=out;
+  /*  if ((out=check_option(argv,n,'d','u')) != NULL)
+      sscanf(out,"%u",&DELAY);*/
+  if ((out=check_option(argv,n,'m','2')) != NULL) {
+    sscanf(out,"%u,%u",&DIMENSION,&EMBED);
+    dimset=1;
+  }
+  if ((out=check_option(argv,n,'n','u')) != NULL)
+    sscanf(out,"%lu",&ITERATIONS);
+  if ((out=check_option(argv,n,'r','f')) != NULL) {
+    epsset=1;
+    sscanf(out,"%lf",&epsmin);
+  }
+  if ((out=check_option(argv,n,'f','f')) != NULL)
+    sscanf(out,"%lf",&EPSSTEP);
+  if ((out=check_option(argv,n,'k','u')) != NULL)
+    sscanf(out,"%u",&MINNEIGHBORS);
+  if ((out=check_option(argv,n,'V','u')) != NULL)
+    sscanf(out,"%u",&verbosity);
+  if ((out=check_option(argv,n,'I','n')) != NULL)
+    INVERSE=1;
+  if ((out=check_option(argv,n,'o','o')) != NULL) {
+    stdo=0;
+    if (strlen(out) > 0)
+      outfile=out;
+  }
+}
+
+double sort(long act,unsigned long* nfound,char *enough)
+{
+  double maxeps=0.0,dx,dswap,maxdx;
+  long self=0,i,j,del,hf,iswap,n1;
+  unsigned long imax=*nfound;
+
+  *enough=0;
+
+  for (i=0;i<imax;i++) {
+    hf=found[i];
+    if (hf != act) {
+      maxdx=fabs(series[0][act]-series[0][hf]);
+      for (j=1;j<alldim;j++) {
+       n1=indexes[0][j];
+       del=indexes[1][j];
+       dx=fabs(series[n1][act-del]-series[n1][hf-del]);
+       if (dx > maxdx) maxdx=dx;
+      }
+      abstand[i]=maxdx;
+    }
+    else {
+      self=i;
+    }
+  }
+
+  if (self != (imax-1)) {
+    abstand[self]=abstand[imax-1];
+    found[self]=found[imax-1];
+  }
+
+  for (i=0;i<MINNEIGHBORS;i++) {
+    for (j=i+1;j<imax-1;j++) {
+      if (abstand[j]<abstand[i]) {
+       dswap=abstand[i];
+       abstand[i]=abstand[j];
+       abstand[j]=dswap;
+       iswap=found[i];
+       found[i]=found[j];
+       found[j]=iswap;
+      }
+    }
+  }
+
+  if (!epsset || (abstand[MINNEIGHBORS-1] >= epsmin)) {
+    *nfound=MINNEIGHBORS;
+    *enough=1;
+    maxeps=abstand[MINNEIGHBORS-1];
+
+    return maxeps;
+  }
+
+  for (i=MINNEIGHBORS;i<imax-2;i++) {
+    for (j=i+1;j<imax-1;j++) {
+      if (abstand[j]<abstand[i]) {
+       dswap=abstand[i];
+       abstand[i]=abstand[j];
+       abstand[j]=dswap;
+       iswap=found[i];
+       found[i]=found[j];
+       found[j]=iswap;
+      }
+    }
+    if (abstand[i] > epsmin) {
+      (*nfound)=i+1;
+      *enough=1;
+      maxeps=abstand[i];
+
+      return maxeps;
+    }
+  }
+
+  maxeps=abstand[imax-2];
+
+  return maxeps;
+}
+
+void make_dynamics(double **dynamics,long act)
+{
+  long i,hi,j,hj,k,t=act,d;
+  unsigned long nfound=0;
+  double **hser,**imat;
+  double foundeps=0.0,epsilon,hv,hv1;
+  double new_vec;
+  char got_enough;
+
+  check_alloc(hser=(double**)malloc(sizeof(double*)*DIMENSION));
+  for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+    hser[i]=series[i]+act;
+
+  epsilon=epsmin/EPSSTEP;
+  do {
+    epsilon *= EPSSTEP;
+    if (epsilon > EPSMAX)
+      epsilon=EPSMAX;
+    make_multi_box(series,box,list,LENGTH-DELAY,BOX,DIMENSION,EMBED,
+                  DELAY,epsilon);
+    nfound=find_multi_neighbors(series,box,list,hser,LENGTH-DELAY,BOX,
+                               DIMENSION,EMBED,DELAY,epsilon,found);
+    if (nfound > MINNEIGHBORS) {
+      foundeps=sort(act,&nfound,&got_enough);
+      if (got_enough)
+       break;
+    }
+  } while (epsilon < EPSMAX);
+
+  free(hser);
+
+  avneig += nfound;
+  aveps += foundeps;
+  if (!epsset)
+    epsmin=aveps/count;
+  if (nfound < MINNEIGHBORS) {
+    fprintf(stderr,"#Not enough neighbors found. Exiting\n");
+    exit(LYAP_SPEC_NOT_ENOUGH_NEIGHBORS);
+  }
+  
+  for (i=0;i<=alldim;i++) {
+    vec[i]=0.0;
+    for (j=0;j<=alldim;j++) 
+      mat[i][j]=0.0;
+  }
+  
+  for (i=0;i<nfound;i++) {
+    act=found[i];
+    mat[0][0] += 1.0;
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      mat[0][j+1] += series[indexes[0][j]][act-indexes[1][j]];
+    for (j=0;j<alldim;j++) {
+      hv1=series[indexes[0][j]][act-indexes[1][j]];
+      hj=j+1;
+      for (k=j;k<alldim;k++)
+       mat[hj][k+1] += series[indexes[0][k]][act-indexes[1][k]]*hv1;
+    }
+  }
+
+  for (i=0;i<=alldim;i++)
+    for (j=i;j<=alldim;j++)
+      mat[j][i]=(mat[i][j]/=(double)nfound);
+  
+  imat=invert_matrix(mat,alldim+1);
+  
+  for (d=0;d<DIMENSION;d++) {
+    for (i=0;i<=alldim;i++)
+      vec[i]=0.0;
+    for (i=0;i<nfound;i++) {
+      act=found[i];
+      hv=series[d][act+DELAY];
+      vec[0] += hv;
+      for (j=0;j<alldim;j++)
+       vec[j+1] += hv*series[indexes[0][j]][act-indexes[1][j]];
+    }
+    for (i=0;i<=alldim;i++)
+      vec[i] /= (double)nfound;
+    
+    new_vec=0.0;
+    for (i=0;i<=alldim;i++)
+      new_vec += imat[0][i]*vec[i];
+    for (i=1;i<=alldim;i++) {
+      hi=i-1;
+      dynamics[d][hi]=0.0;
+      for (j=0;j<=alldim;j++)
+       dynamics[d][hi] += imat[i][j]*vec[j];
+    }
+    for (i=0;i<alldim;i++)
+      new_vec += dynamics[d][i]*series[indexes[0][i]][t-indexes[1][i]];
+    averr[d] += (new_vec-series[d][t+DELAY])*(new_vec-series[d][t+DELAY]);
+  }
+
+  for (i=0;i<=alldim;i++)
+    free(imat[i]);
+  free(imat);
+}
+
+void gram_schmidt(double **delta,
+                 double *stretch)
+{
+  double **dnew,norm,*diff;
+  long i,j,k;
+  
+  check_alloc(diff=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+  check_alloc(dnew=(double**)malloc(sizeof(double*)*alldim));
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    check_alloc(dnew[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+
+  for (i=0;i<alldim;i++) {
+    for (j=0;j<alldim;j++) 
+      diff[j]=0.0;
+    for (j=0;j<i;j++) {
+      norm=0.0;
+      for (k=0;k<alldim;k++)
+       norm += delta[i][k]*dnew[j][k];
+      for (k=0;k<alldim;k++)
+       diff[k] -= norm*dnew[j][k];
+    }
+    norm=0.0;
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      norm += sqr(delta[i][j]+diff[j]);
+    stretch[i]=(norm=sqrt(norm));
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      dnew[i][j]=(delta[i][j]+diff[j])/norm;
+  }
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      delta[i][j]=dnew[i][j];
+
+  free(diff);
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    free(dnew[i]);
+  free(dnew);
+}
+
+void make_iteration(double **dynamics,
+                   double **delta)
+{
+  double **dnew;
+  long i,j,k;
+
+  check_alloc(dnew=(double**)malloc(sizeof(double*)*alldim));
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    check_alloc(dnew[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+
+  for (i=0;i<alldim;i++) {
+    for (j=0;j<DIMENSION;j++) {
+      dnew[i][j]=dynamics[j][0]*delta[i][0];
+      for (k=1;k<alldim;k++)
+       dnew[i][j] += dynamics[j][k]*delta[i][k];
+    }
+    for (j=DIMENSION;j<alldim;j++)
+      dnew[i][j]=delta[i][j-1];
+  }
+
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      delta[i][j]=dnew[i][j];
+
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    free(dnew[i]);
+  free(dnew);
+}
+
+int main(int argc,char **argv)
+{
+  char stdi=0;
+  double **delta,**dynamics,*lfactor;
+  double *factor,dim;
+  double *hseries;
+  double *interval,*min,*av,*var,maxinterval;
+  long start,i,j;
+  time_t lasttime,newtime;
+  FILE *file=NULL;
+
+  if (scan_help(argc,argv))
+    show_options(argv[0]);
+
+  ITERATIONS=ULONG_MAX;
+  
+  scan_options(argc,argv);
+#ifndef OMIT_WHAT_I_DO
+  if (verbosity&VER_INPUT)
+    what_i_do(argv[0],WID_STR);
+#endif
+
+  infile=search_datafile(argc,argv,NULL,verbosity);
+  if (infile == NULL)
+    stdi=1;
+
+  if (outfile == NULL) {
+    if (!stdi) {
+      check_alloc(outfile=(char*)calloc(strlen(infile)+7,(size_t)1));
+      strcpy(outfile,infile);
+      strcat(outfile,".lyaps");
+    }
+    else {
+      check_alloc(outfile=(char*)calloc((size_t)12,(size_t)1));
+      strcpy(outfile,"stdin.lyaps");
+    }
+  }
+  if (!stdo)
+    test_outfile(outfile);
+
+  alldim=DIMENSION*EMBED;
+
+  if (COLUMNS == NULL)
+    series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&DIMENSION,"",
+                                     dimset,verbosity);
+  else
+    series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&DIMENSION,
+                                     COLUMNS,dimset,verbosity);
+
+  if (MINNEIGHBORS > (LENGTH-DELAY*(EMBED-1)-1)) {
+    fprintf(stderr,"Your time series is not long enough to find %d neighbors!"
+           " Exiting.\n",MINNEIGHBORS);
+    exit(LYAP_SPEC_DATA_TOO_SHORT);
+  }
+
+  check_alloc(min=(double*)malloc(sizeof(double)*DIMENSION));
+  check_alloc(interval=(double*)malloc(sizeof(double)*DIMENSION));
+  check_alloc(av=(double*)malloc(sizeof(double)*DIMENSION));
+  check_alloc(var=(double*)malloc(sizeof(double)*DIMENSION));
+  check_alloc(averr=(double*)malloc(sizeof(double)*DIMENSION));
+  maxinterval=0.0;
+  for (i=0;i<DIMENSION;i++) {
+    averr[i]=0.0;
+    rescale_data(series[i],LENGTH,&min[i],&interval[i]);
+    if (interval[i] > maxinterval) 
+      maxinterval=interval[i];
+    variance(series[i],LENGTH,&av[i],&var[i]);
+  }
+  
+  if (INVERSE) {
+    check_alloc(hseries=(double*)malloc(sizeof(double)*LENGTH));
+    for (j=0;j<DIMENSION;j++) {
+      for (i=0;i<LENGTH;i++)
+       hseries[LENGTH-1-i]=series[j][i];
+      for (i=0;i<LENGTH;i++)
+       series[j][i]=hseries[i];
+    }
+    free(hseries);
+  }
+  
+  if (!epsset)
+    epsmin=1./1000.;
+  else
+    epsmin /= maxinterval;
+  
+  check_alloc(box=(long**)malloc(sizeof(long*)*BOX));
+  for (i=0;i<BOX;i++)
+    check_alloc(box[i]=(long*)malloc(sizeof(long)*BOX));
+
+  check_alloc(list=(long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
+  check_alloc(found=(unsigned long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
+
+  check_alloc(dynamics=(double**)malloc(sizeof(double*)*DIMENSION));
+  for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+    check_alloc(dynamics[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+  check_alloc(factor=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+  check_alloc(lfactor=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+  check_alloc(delta=(double**)malloc(sizeof(double*)*alldim));
+  for (i=0;i<alldim;i++)
+    check_alloc(delta[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*alldim));
+  
+  check_alloc(vec=(double*)malloc(sizeof(double)*(alldim+1)));
+  check_alloc(mat=(double**)malloc(sizeof(double*)*(alldim+1)));
+  for (i=0;i<=alldim;i++)
+    check_alloc(mat[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*(alldim+1)));
+  
+  indexes=(unsigned int**)make_multi_index(DIMENSION,EMBED,DELAY);
+
+  rnd_init(0x098342L);
+  for (i=0;i<10000;i++)
+    rnd_long();
+  for (i=0;i<alldim;i++) {
+    factor[i]=0.0;
+    for (j=0;j<alldim;j++)
+      delta[i][j]=(double)rnd_long()/(double)ULONG_MAX;
+  }
+  gram_schmidt(delta,lfactor);
+  
+  start=ITERATIONS;
+  if (start>(LENGTH-DELAY)) 
+    start=LENGTH-DELAY;
+
+  if (!stdo) {
+    file=fopen(outfile,"w");
+    if (verbosity&VER_INPUT)
+      fprintf(stderr,"Opened %s for writing\n",outfile);
+  }
+  else {
+    if (verbosity&VER_INPUT)
+      fprintf(stderr,"Writing to stdout\n");
+  }
+
+  check_alloc(abstand=(double*)malloc(sizeof(double)*LENGTH));
+
+  time(&lasttime);
+  for (i=(EMBED-1)*DELAY;i<start;i++) {
+    count++;
+    make_dynamics(dynamics,i);
+    make_iteration(dynamics,delta);
+    gram_schmidt(delta,lfactor);
+    for (j=0;j<alldim;j++) {
+      factor[j] += log(lfactor[j])/(double)DELAY;
+    }
+    if (((time(&newtime)-lasttime) > OUT) || (i == (start-1))) {
+      time(&lasttime);
+      if (!stdo) {
+       fprintf(file,"%ld ",count);
+       for (j=0;j<alldim;j++) 
+         fprintf(file,"%e ",factor[j]/count);
+       fprintf(file,"\n");
+       fflush(file);
+      }
+      else {
+       fprintf(stdout,"%ld ",count);
+       for (j=0;j<alldim;j++) 
+         fprintf(stdout,"%e ",factor[j]/count);
+       fprintf(stdout,"\n");
+      }
+    }
+  }
+  
+  dim=0.0;
+  for (i=0;i<alldim;i++) {
+    dim += factor[i];
+    if (dim < 0.0)
+      break;
+  }
+  if (i < alldim)
+    dim=i+(dim-factor[i])/fabs(factor[i]);
+  else
+    dim=alldim;
+  if (!stdo) {
+    fprintf(file,"#Average relative forecast errors:= ");
+    for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+      fprintf(file,"%e ",sqrt(averr[i]/count)/var[i]);
+    fprintf(file,"\n");
+    fprintf(file,"#Average absolute forecast errors:= ");
+    for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+      fprintf(file,"%e ",sqrt(averr[i]/count)*interval[i]);
+    fprintf(file,"\n");
+    fprintf(file,"#Average Neighborhood Size= %e\n",aveps*maxinterval/count);
+    fprintf(file,"#Average num. of neighbors= %e\n",avneig/count);
+    fprintf(file,"#estimated KY-Dimension= %f\n",dim);
+  }
+  else {
+    fprintf(stdout,"#Average relative forecast errors:= ");
+    for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+      fprintf(stdout,"%e ",sqrt(averr[i]/count)/var[i]);
+    fprintf(stdout,"\n");
+    fprintf(stdout,"#Average absolute forecast errors:= ");
+    for (i=0;i<DIMENSION;i++)
+      fprintf(stdout,"%e ",sqrt(averr[i]/count)*interval[i]);
+    fprintf(stdout,"\n");
+    fprintf(stdout,"#Average Neighborhood Size= %e\n",aveps*maxinterval/count);
+    fprintf(stdout,"#Average num. of neighbors= %e\n",avneig/count);
+    fprintf(stdout,"#estimated KY-Dimension= %f\n",dim);
+  }
+  if (!stdo)
+    fclose(file);
+
+  free(abstand);
+
+  return 0;
+}