binaries/src/disembl/Tisean_3.0.1/source_c/lfo-ar.c

   1 /*
   2  *   This file is part of TISEAN
   3  *
   4  *   Copyright (c) 1998-2007 Rainer Hegger, Holger Kantz, Thomas Schreiber
   5  *
   6  *   TISEAN is free software; you can redistribute it and/or modify
   7  *   it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8  *   the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   9  *   (at your option) any later version.
  10  *
  11  *   TISEAN is distributed in the hope that it will be useful,
  12  *   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  *   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14  *   GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  *   You should have received a copy of the GNU General Public License
  17  *   along with TISEAN; if not, write to the Free Software
  18  *   Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  19  */
  20 /*Author: Rainer Hegger. Last modified: Jun 21, 2005 */
  21 /*changes:
  22   Jun 17, 2005: Comments in the output file updated
  23   Jun 21, 2005: free imat in make_fit
  24 */
  25 #include <stdio.h>
  26 #include <stdlib.h>
  27 #include <string.h>
  28 #include <limits.h>
  29 #include "routines/tsa.h"
  30 #include <math.h>
  31
  32 #define WID_STR "Estimates the average forecast error for a local\n\t\
  33 linear fit as a function of the neighborhood size."
  34
  35
  36 /*number of boxes for the neighbor search algorithm*/
  37 #define NMAX 256
  38
  39 unsigned int nmax=(NMAX-1);
  40 long **box,*list;
  41 unsigned long *found;
  42 double *error;
  43 double **series;
  44
  45 char eps0set=0,eps1set=0,causalset=0,dimset=0;
  46 char *outfile=NULL,stdo=1;
  47 char *column=NULL;
  48 unsigned int dim=1,embed=2,delay=1;
  49 unsigned int verbosity=0xff;
  50 int STEP=1;
  51 double EPS0=1.e-3,EPS1=1.0,EPSF=1.2;
  52 unsigned long LENGTH=ULONG_MAX,exclude=0,CLENGTH=ULONG_MAX,causal;
  53 char *infile=NULL;
  54 double **mat,*vec,*localav,*foreav,*hvec;
  55
  56 void show_options(char *progname)
  57 {
  58   what_i_do(progname,WID_STR);
  59   fprintf(stderr," Usage: %s [options]\n",progname);
  60   fprintf(stderr," Options:\n");
  61   fprintf(stderr,"Everything not being a valid option will be interpreted"
  62           " as a possible"
  63           " datafile.\nIf no datafile is given stdin is read. Just - also"
  64           " means stdin\n");
  65   fprintf(stderr,"\t-l # of data to use [default: whole file]\n");
  66   fprintf(stderr,"\t-x # of lines to be ignored [default: 0]\n");
  67   fprintf(stderr,"\t-c columns to read [default: 1,...,# of components]\n");
  68   fprintf(stderr,"\t-m # of components,embedding dimension [default: 1,2]\n");
  69   fprintf(stderr,"\t-d delay [default: 1]\n");
  70   fprintf(stderr,"\t-i iterations [default: length]\n");
  71   fprintf(stderr,"\t-r neighborhood size to start with [default:"
  72           " (interval of data)/1000)]\n");
  73   fprintf(stderr,"\t-R neighborhood size to end with [default:"
  74           " interval of data]\n");
  75   fprintf(stderr,"\t-f factor to increase size [default: 1.2]\n");
  76   fprintf(stderr,"\t-s steps to forecast [default: 1]\n");
  77   fprintf(stderr,"\t-C width of causality window [default: steps]\n");
  78   fprintf(stderr,"\t-o output file name [default: 'datafile.ll']\n");
  79   fprintf(stderr,"\t-V verbosity level [default: 1]\n\t\t"
  80           "0='only panic messages'\n\t\t"
  81           "1='+ input/output messages'\n");
  82   fprintf(stderr,"\t-h show these options\n");
  83   exit(0);
  84 }
  85
  86 void scan_options(int n,char **in)
  87 {
  88   char *out;
  89
  90   if ((out=check_option(in,n,'l','u')) != NULL)
  91     sscanf(out,"%lu",&LENGTH);
  92   if ((out=check_option(in,n,'x','u')) != NULL)
  93     sscanf(out,"%lu",&exclude);
  94   if ((out=check_option(in,n,'c','s')) != NULL) {
  95     column=out;
  96     dimset=1;
  97   }
  98   if ((out=check_option(in,n,'m','2')) != NULL)
  99     sscanf(out,"%u,%u",&dim,&embed);
 100   if ((out=check_option(in,n,'d','u')) != NULL)
 101     sscanf(out,"%u",&delay);
 102   if ((out=check_option(in,n,'i','u')) != NULL)
 103     sscanf(out,"%lu",&CLENGTH);
 104   if ((out=check_option(in,n,'r','f')) != NULL) {
 105     eps0set=1;
 106     sscanf(out,"%lf",&EPS0);
 107   }
 108   if ((out=check_option(in,n,'R','f')) != NULL) {
 109     eps1set=1;
 110     sscanf(out,"%lf",&EPS1);
 111   }
 112   if ((out=check_option(in,n,'f','f')) != NULL)
 113     sscanf(out,"%lf",&EPSF);
 114   if ((out=check_option(in,n,'s','u')) != NULL)
 115     sscanf(out,"%u",&STEP);
 116   if ((out=check_option(in,n,'C','u')) != NULL) {
 117     sscanf(out,"%lu",&causal);
 118     causalset=1;
 119   }
 120   if ((out=check_option(in,n,'V','u')) != NULL)
 121     sscanf(out,"%u",&verbosity);
 122   if ((out=check_option(in,n,'o','o')) != NULL) {
 123     stdo=0;
 124     if (strlen(out) > 0)
 125       outfile=out;
 126   }
 127 }
 128
 129 void multiply_matrix(double **mat,double *vec)
 130 {
 131   long i,j;
 132
 133   for (i=0;i<dim*embed;i++) {
 134     hvec[i]=0.0;
 135     for (j=0;j<dim*embed;j++)
 136       hvec[i] += mat[i][j]*vec[j];
 137   }
 138   for (i=0;i<dim*embed;i++)
 139     vec[i]=hvec[i];
 140 }
 141
 142 void make_fit(long act,unsigned long number)
 143 {
 144   double *si,*sj,lavi,lavj,fav,**imat,cast;
 145   long i,i1,hi,hi1,j,j1,hj,hj1,n,which;
 146
 147   for (i=0;i<embed*dim;i++)
 148     localav[i]=0;
 149   for (i=0;i<dim;i++)
 150     foreav[i]=0.0;
 151
 152   for (n=0;n<number;n++) {
 153     which=found[n];
 154     for (j=0;j<dim;j++) {
 155       sj=series[j];
 156       foreav[j] += sj[which+STEP];
 157       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
 158         hj=j*embed+j1;
 159         localav[hj] += sj[which-j1*delay];
 160       }
 161     }
 162   }
 163
 164   for (i=0;i<dim*embed;i++)
 165     localav[i] /= number;
 166   for (i=0;i<dim;i++)
 167     foreav[i] /= number;
 168
 169   for (i=0;i<dim;i++) {
 170     si=series[i];
 171     for (i1=0;i1<embed;i1++) {
 172       hi=i*embed+i1;
 173       lavi=localav[hi];
 174       hi1=i1*delay;
 175       for (j=0;j<dim;j++) {
 176         sj=series[j];
 177         for (j1=0;j1<embed;j1++) {
 178           hj=j*embed+j1;
 179           lavj=localav[hj];
 180           hj1=j1*delay;
 181           mat[hi][hj]=0.0;
 182           if (hj >= hi) {
 183             for (n=0;n<number;n++) {
 184               which=found[n];
 185               mat[hi][hj] += (si[which-hi1]-lavi)*(sj[which-hj1]-lavj);
 186             }
 187           }
 188         }
 189       }
 190     }
 191   }
 192
 193   for (i=0;i<dim*embed;i++)
 194     for (j=i;j<dim*embed;j++) {
 195       mat[i][j] /= number;
 196       mat[j][i]=mat[i][j];
 197     }
 198
 199   imat=invert_matrix(mat,dim*embed);
 200
 201   for (i=0;i<dim;i++) {
 202     si=series[i];
 203     fav=foreav[i];
 204     for (j=0;j<dim;j++) {
 205       sj=series[j];
 206       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
 207         hj=j*embed+j1;
 208         lavj=localav[hj];
 209         hj1=j1*delay;
 210         vec[hj]=0.0;
 211         for (n=0;n<number;n++) {
 212           which=found[n];
 213           vec[hj] += (si[which+STEP]-fav)*(sj[which-hj1]-lavj);
 214         }
 215         vec[hj] /= number;
 216       }
 217     }
 218
 219     multiply_matrix(imat,vec);
 220
 221     cast=foreav[i];
 222     for (j=0;j<dim;j++) {
 223       sj=series[j];
 224       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
 225         hj=j*embed+j1;
 226         cast += vec[hj]*(sj[act-j1*delay]-localav[hj]);
 227       }
 228     }
 229     error[i] += sqr(cast-series[i][act+STEP]);
 230   }
 231   for (i=0;i<embed*dim;i++)
 232     free(imat[i]);
 233   free(imat);
 234 }
 235
 236 int main(int argc,char **argv)
 237 {
 238   char stdi=0;
 239   unsigned long actfound;
 240   unsigned long *hfound;
 241   long pfound,i,j;
 242   unsigned long clength;
 243   double interval,min,maxinterval;
 244   double epsilon;
 245   double **hser;
 246   double avfound,*hrms,*hav,sumerror=0.0;
 247   FILE *file=NULL;
 248
 249   if (scan_help(argc,argv))
 250     show_options(argv[0]);
 251
 252   scan_options(argc,argv);
 253 #ifndef OMIT_WHAT_I_DO
 254   if (verbosity&VER_INPUT)
 255     what_i_do(argv[0],WID_STR);
 256 #endif
 257
 258   if (!causalset)
 259     causal=STEP;
 260
 261   infile=search_datafile(argc,argv,NULL,verbosity);
 262   if (infile == NULL)
 263     stdi=1;
 264
 265   if (outfile == NULL) {
 266     if (!stdi) {
 267       check_alloc(outfile=(char*)calloc(strlen(infile)+4,(size_t)1));
 268       sprintf(outfile,"%s.ll",infile);
 269     }
 270     else {
 271       check_alloc(outfile=(char*)calloc((size_t)9,(size_t)1));
 272       sprintf(outfile,"stdin.ll");
 273     }
 274   }
 275   if (!stdo)
 276     test_outfile(outfile);
 277
 278   if (column == NULL)
 279     series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&dim,"",dimset,
 280                                       verbosity);
 281   else
 282     series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&dim,column,
 283                                       dimset,verbosity);
 284   maxinterval=0.0;
 285   for (i=0;i<dim;i++) {
 286     rescale_data(series[i],LENGTH,&min,&interval);
 287     if (interval > maxinterval)
 288       maxinterval=interval;
 289   }
 290   interval=maxinterval;
 291
 292   check_alloc(list=(long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
 293   check_alloc(found=(unsigned long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
 294   check_alloc(hfound=(unsigned long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
 295   check_alloc(box=(long**)malloc(sizeof(long*)*NMAX));
 296   for (i=0;i<NMAX;i++)
 297     check_alloc(box[i]=(long*)malloc(sizeof(long)*NMAX));
 298   check_alloc(vec=(double*)malloc(sizeof(double)*(embed*dim)));
 299   check_alloc(hvec=(double*)malloc(sizeof(double)*(embed*dim)));
 300   check_alloc(mat=(double**)malloc(sizeof(double*)*(embed*dim)));
 301   for (i=0;i<dim*embed;i++)
 302     check_alloc(mat[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*(embed*dim)));
 303   check_alloc(error=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
 304   check_alloc(hrms=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
 305   check_alloc(hav=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
 306   check_alloc(hser=(double**)malloc(sizeof(double*)*dim));
 307   check_alloc(foreav=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
 308   check_alloc(localav=(double*)malloc(sizeof(double)*(embed*dim)));
 309
 310   if (eps0set)
 311     EPS0 /= interval;
 312   if (eps1set)
 313     EPS1 /= interval;
 314
 315   clength=(CLENGTH <= LENGTH) ? CLENGTH-STEP : LENGTH-STEP;
 316
 317   if (!stdo) {
 318     file=fopen(outfile,"w");
 319     if (verbosity&VER_INPUT)
 320       fprintf(stderr,"Opened %s for writing\n",outfile);
 321     fprintf(file,"#1.) neighborhood size\n");
 322     fprintf(file,"#2.) average relative forecast error\n");
 323     fprintf(file,"#next n.) relative forecast error of the n components\n");
 324     fprintf(file,"#second last.) fraction of points with enough neighbors\n");
 325     fprintf(file,"#last .) average number of neighbors used for the fit\n");
 326   }
 327   else {
 328     if (verbosity&VER_INPUT)
 329       fprintf(stderr,"Writing to stdout\n");
 330   }
 331
 332   for (epsilon=EPS0;epsilon<EPS1*EPSF;epsilon*=EPSF) {
 333     pfound=0;
 334     for (i=0;i<dim;i++)
 335       error[i]=hrms[i]=hav[i]=0.0;
 336     avfound=0.0;
 337     make_multi_box(series,box,list,LENGTH-STEP,NMAX,dim,
 338                    embed,delay,epsilon);
 339     for (i=(embed-1)*delay;i<clength;i++) {
 340       for (j=0;j<dim;j++)
 341         hser[j]=series[j]+i;
 342       actfound=find_multi_neighbors(series,box,list,hser,LENGTH,
 343                                     NMAX,dim,embed,delay,epsilon,hfound);
 344       actfound=exclude_interval(actfound,i-causal+1,i+causal+(embed-1)*delay-1,
 345                                 hfound,found);
 346       if (actfound > 2*(dim*embed+1)) {
 347         make_fit(i,actfound);
 348         pfound++;
 349         avfound += (double)(actfound-1);
 350         for (j=0;j<dim;j++) {
 351           hrms[j] += series[j][i+STEP]*series[j][i+STEP];
 352           hav[j] += series[j][i+STEP];
 353         }
 354       }
 355     }
 356     if (pfound > 1) {
 357       sumerror=0.0;
 358       for (j=0;j<dim;j++) {
 359         hav[j] /= pfound;
 360         hrms[j]=sqrt(fabs(hrms[j]/(pfound-1)-hav[j]*hav[j]*pfound/(pfound-1)));
 361         error[j]=sqrt(error[j]/pfound)/hrms[j];
 362         sumerror += error[j];
 363       }
 364     }
 365     if (stdo) {
 366       if (pfound > 1) {
 367         fprintf(stdout,"%e %e ",epsilon*interval,sumerror/(double)dim);
 368         for (j=0;j<dim;j++)
 369           fprintf(stdout,"%e ",error[j]);
 370         fprintf(stdout,"%e %e\n",(double)pfound/(clength-(embed-1)*delay),
 371                 avfound/pfound);
 372         fflush(stdout);
 373       }
 374     }
 375     else {
 376       if (pfound > 1) {
 377         fprintf(file,"%e %e ",epsilon*interval,sumerror/(double)dim);
 378         for (j=0;j<dim;j++)
 379           fprintf(file,"%e ",error[j]);
 380         fprintf(file,"%e %e\n",(double)pfound/(clength-(embed-1)*delay),
 381                 avfound/pfound);
 382         fflush(file);
 383       }
 384     }
 385   }
 386   if (!stdo)
 387     fclose(file);
 388
 389   return 0;
 390 }