IUPred wrapper, tester and new binary for X64 linux systems
[jabaws.git] / binaries / src / disembl / Tisean_3.0.1 / source_c / lfo-run.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: Sep 29, 2000 */
21 #include <stdio.h>
22 #include <stdlib.h>
23 #include <string.h>
24 #include <limits.h>
25 #include <math.h>
26 #include "routines/tsa.h"
27
28 #define WID_STR "Makes a local linear fit for multivariate data\n\
29 and iterates a trajectory"
30
31 #define NMAX 128
32
33 char onscreen=1,epsset=0,*outfile=NULL;
34 char *infile=NULL;
35 unsigned int nmax=(NMAX-1);
36 unsigned int verbosity=0xff;
37 long **box,*list,*found;
38 double **series,**cast;
39 double *interval,*min,epsilon;
40
41 unsigned int embed=2,dim=1,dim1,DELAY=1;
42 char *column=NULL,dimset=0,do_zeroth=0;
43 int MINN=30;
44 unsigned long LENGTH=ULONG_MAX,FLENGTH=1000,exclude=0;
45 double EPS0=1.e-3,EPSF=1.2;
46
47 double **mat,**imat,*vec,*localav,*foreav;
48
49 void show_options(char *progname)
50 {
51   what_i_do(progname,WID_STR);
52   fprintf(stderr," Usage: %s [Options]\n",progname);
53   fprintf(stderr," Options:\n");
54   fprintf(stderr,"Everything not being a valid option will be interpreted"
55           " as a possible"
56           " datafile.\nIf no datafile is given stdin is read. Just - also"
57           " means stdin\n");
58   fprintf(stderr,"\t-l # of data to be used [default whole file]\n");
59   fprintf(stderr,"\t-x # of lines to be ignored [default 0]\n");
60   fprintf(stderr,"\t-c column [default 1,...,# of components]\n");
61   fprintf(stderr,"\t-m #of components,embedding dimension [default 1,2]\n");
62   fprintf(stderr,"\t-d delay for the embedding [default 1]\n");
63   fprintf(stderr,"\t-L # of iterations [default 1000]\n");
64   fprintf(stderr,"\t-k # of neighbors  [default 30]\n");
65   fprintf(stderr,"\t-r size of initial neighborhood ["
66           " default (data interval)/1000]\n");
67   fprintf(stderr,"\t-f factor to increase size [default 1.2]\n");
68   fprintf(stderr,"\t-0 perfom a zeroth order fit [default not set]\n");
69   fprintf(stderr,"\t-o output file [default 'datafile'.cast;"
70           " no -o means write to stdout]\n");
71   fprintf(stderr,"\t-V verbosity level [default 1]\n\t\t"
72           "0='only panic messages'\n\t\t"
73           "1='+ input/output messages'\n");
74   fprintf(stderr,"\t-h  show these options\n");
75   exit(0);
76 }
77
78 void scan_options(int n,char **in)
79 {
80   char *out;
81
82   if ((out=check_option(in,n,'l','u')) != NULL)
83     sscanf(out,"%lu",&LENGTH);
84   if ((out=check_option(in,n,'x','u')) != NULL)
85     sscanf(out,"%lu",&exclude);
86   if ((out=check_option(in,n,'c','s')) != NULL) {
87     column=out;
88     dimset=1;
89   }
90   if ((out=check_option(in,n,'m','2')) != NULL)
91     sscanf(out,"%u,%u",&dim,&embed);
92   if ((out=check_option(in,n,'d','u')) != NULL)
93     sscanf(out,"%u",&DELAY);
94   if ((out=check_option(in,n,'L','u')) != NULL)
95     sscanf(out,"%lu",&FLENGTH);
96   if ((out=check_option(in,n,'k','u')) != NULL)
97     sscanf(out,"%u",&MINN);
98   if ((out=check_option(in,n,'0','n')) != NULL)
99     do_zeroth=1;
100   if ((out=check_option(in,n,'V','u')) != NULL)
101     sscanf(out,"%u",&verbosity);
102   if ((out=check_option(in,n,'r','f')) != NULL) {
103     epsset=1;
104     sscanf(out,"%lf",&EPS0);
105   }
106   if ((out=check_option(in,n,'f','f')) != NULL)
107     sscanf(out,"%lf",&EPSF);
108   if ((out=check_option(in,n,'o','o')) != NULL) {
109     onscreen=0;
110     if (strlen(out) > 0)
111       outfile=out;
112   }
113 }
114
115 void put_in_boxes(void)
116 {
117   int i,j,n;
118   static int hdim;
119   double epsinv;
120
121   hdim=(embed-1)*DELAY;
122   epsinv=1.0/epsilon;
123   for (i=0;i<NMAX;i++)
124     for (j=0;j<NMAX;j++)
125       box[i][j]= -1;
126
127   for (n=hdim;n<LENGTH-1;n++) {
128     i=(int)(series[0][n]*epsinv)&nmax;
129     j=(int)(series[dim1][n-hdim]*epsinv)&nmax;
130     list[n]=box[i][j];
131     box[i][j]=n;
132   }
133 }
134
135 unsigned int hfind_neighbors(void)
136 {
137   char toolarge;
138   int i,j,i1,i2,j1,k,l,element;
139   static int hdim;
140   unsigned nfound=0;
141   double max,dx,epsinv;
142
143   hdim=(embed-1)*DELAY;
144   epsinv=1.0/epsilon;
145   i=(int)(cast[hdim][0]*epsinv)&nmax;
146   j=(int)(cast[0][dim1]*epsinv)&nmax;
147   
148   for (i1=i-1;i1<=i+1;i1++) {
149     i2=i1&nmax;
150     for (j1=j-1;j1<=j+1;j1++) {
151       element=box[i2][j1&nmax];
152       while (element != -1) {
153         max=0.0;
154         toolarge=0;
155         for (l=0;l<dim;l++) {
156           for (k=0;k<=hdim;k += DELAY) {
157             dx=fabs(series[l][element-k]-cast[hdim-k][l]);
158             max=(dx>max) ? dx : max;
159             if (max > epsilon) {
160               toolarge=1;
161               break;
162             }
163           }
164           if (toolarge)
165             break;
166         }
167         if (max <= epsilon)
168           found[nfound++]=element;
169         element=list[element];
170       }
171     }
172   }
173   return nfound;
174 }
175
176 void multiply_matrix(double **mat,double *vec)
177 {
178   double *hvec;
179   long i,j;
180
181   check_alloc(hvec=(double*)malloc(sizeof(double)*dim*embed));
182   for (i=0;i<dim*embed;i++) {
183     hvec[i]=0.0;
184     for (j=0;j<dim*embed;j++)
185       hvec[i] += mat[i][j]*vec[j];
186   }
187   for (i=0;i<dim*embed;i++)
188     vec[i]=hvec[i];
189   free(hvec);
190 }
191
192 void make_fit(int number,double *newcast)
193 {
194   double *sj,*si,lavi,lavj,fav;
195   long i,i1,j,j1,hi,hj,hi1,hj1,n,which;
196   static int hdim;
197
198   hdim=(embed-1)*DELAY;
199
200   for (i=0;i<dim*embed;i++)
201     localav[i]=0.0;
202   for (i=0;i<dim;i++)
203     foreav[i]=0.0;
204
205   for (n=0;n<number;n++) {
206     which=found[n];
207     for (j=0;j<dim;j++) {
208       sj=series[j];
209       foreav[j] += sj[which+1];
210       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
211         hj=j*embed+j1;
212         localav[hj] += sj[which-j1*DELAY];
213       }
214     }
215   }
216
217   for (i=0;i<dim*embed;i++)
218     localav[i] /= number;
219   for (i=0;i<dim;i++)
220     foreav[i] /= number;
221
222   for (i=0;i<dim;i++) {
223     si=series[i];
224     for (i1=0;i1<embed;i1++) {
225       hi=i*embed+i1;
226       lavi=localav[hi];
227       hi1=i1*DELAY;
228       for (j=0;j<dim;j++) {
229         sj=series[j];
230         for (j1=0;j1<embed;j1++) {
231           hj=j*embed+j1;
232           lavj=localav[hj];
233           hj1=j1*DELAY;
234           mat[hi][hj]=0.0;
235           if (hj >= hi) {
236             for (n=0;n<number;n++) {
237               which=found[n];
238               mat[hi][hj] += (si[which-hi1]-lavi)*(sj[which-hj1]-lavj);
239             }
240           }
241         }
242       }
243     }
244   }
245   
246   for (i=0;i<dim*embed;i++)
247     for (j=i;j<dim*embed;j++) {
248       mat[i][j] /= number;
249       mat[j][i]=mat[i][j];
250     }
251   
252   imat=invert_matrix(mat,dim*embed);
253
254   for (i=0;i<dim;i++) {
255     si=series[i];
256     fav=foreav[i];
257     for (j=0;j<dim;j++) {
258       sj=series[j];
259       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
260         hj=j*embed+j1;
261         lavj=localav[hj];
262         hj1=j1*DELAY;
263         vec[hj]=0.0;
264         for (n=0;n<number;n++) {
265           which=found[n];
266           vec[hj] += (si[which+1]-fav)*(sj[which-hj1]-lavj);
267         }
268         vec[hj] /= number;
269       }
270     }
271
272     multiply_matrix(imat,vec);
273
274     newcast[i]=foreav[i];
275     for (j=0;j<dim;j++) {
276       for (j1=0;j1<embed;j1++) {
277         hj=j*embed+j1;
278         newcast[i] += vec[hj]*(cast[hdim-j1*DELAY][j]-localav[hj]);
279       }
280     }
281   }
282   
283   for (i=0;i<dim*embed;i++)
284     free(imat[i]);
285   free(imat);
286 }
287
288 void make_zeroth(int number,double *newcast)
289 {
290   unsigned long i,d;
291   double *sj;
292   
293   for (d=0;d<dim;d++) {
294     newcast[d]=0.0;
295     sj=series[d]+1;
296     for (i=0;i<number;i++)
297       newcast[d] += sj[found[i]];
298     newcast[d] /= number;
299   }
300 }
301
302 int main(int argc,char **argv)
303 {
304   char stdi=0,done;
305   long i,j,hdim,actfound;
306   double maxinterval,*swap,*newcast;
307   FILE *file=NULL;
308   
309   if (scan_help(argc,argv))
310     show_options(argv[0]);
311   
312   scan_options(argc,argv);
313 #ifndef OMIT_WHAT_I_DO
314   if (verbosity&VER_INPUT)
315     what_i_do(argv[0],WID_STR);
316 #endif
317   
318   infile=search_datafile(argc,argv,NULL,verbosity);
319   if (infile == NULL)
320     stdi=1;
321   
322   if (outfile == NULL) {
323     if (!stdi) {
324       check_alloc(outfile=(char*)calloc(strlen(infile)+6,(size_t)1));
325       strcpy(outfile,infile);
326       strcat(outfile,".cast");
327     }
328     else {
329       check_alloc(outfile=(char*)calloc((size_t)11,(size_t)1));
330       strcpy(outfile,"stdin.cast");
331     }
332   }
333   if (!onscreen)
334     test_outfile(outfile);
335   
336   hdim=(embed-1)*DELAY+1;
337   if (column == NULL)
338     series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&dim,"",dimset,
339                                       verbosity);
340   else
341     series=(double**)get_multi_series(infile,&LENGTH,exclude,&dim,column,
342                                       dimset,verbosity);
343   check_alloc(min=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
344   check_alloc(interval=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
345   dim1=dim-1;
346   maxinterval=0.0;
347   for (i=0;i<dim;i++) {
348     rescale_data(series[i],LENGTH,&min[i],&interval[i]);
349     if (interval[i] > maxinterval)
350       maxinterval=interval[i];
351   }
352   
353   check_alloc(cast=(double**)malloc(sizeof(double*)*hdim));
354   for (i=0;i<hdim;i++)
355     check_alloc(cast[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
356   check_alloc(newcast=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
357     
358   check_alloc(list=(long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
359   check_alloc(found=(long*)malloc(sizeof(long)*LENGTH));
360   check_alloc(box=(long**)malloc(sizeof(long*)*NMAX));
361   for (i=0;i<NMAX;i++)
362     check_alloc(box[i]=(long*)malloc(sizeof(long)*NMAX));
363   
364   check_alloc(localav=(double*)malloc(sizeof(double)*dim*embed));
365   check_alloc(foreav=(double*)malloc(sizeof(double)*dim));
366   check_alloc(vec=(double*)malloc(sizeof(double)*dim*embed));
367   check_alloc(mat=(double**)malloc(sizeof(double*)*dim*embed));
368   for (i=0;i<dim*embed;i++)
369     check_alloc(mat[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*dim*embed));
370
371   if (epsset)
372     EPS0 /= maxinterval;
373
374   for (j=0;j<dim;j++)
375     for (i=0;i<hdim;i++)
376       cast[i][j]=series[j][LENGTH-hdim+i];
377   
378   if (!onscreen) {
379     file=fopen(outfile,"w");
380     if (verbosity&VER_INPUT)
381       fprintf(stderr,"Opened %s for writing\n",outfile);
382   }
383   else {
384     if (verbosity&VER_INPUT)
385       fprintf(stderr,"Writing to stdout\n");
386   }
387
388   for (i=0;i<FLENGTH;i++) {
389     done=0;
390     epsilon=EPS0/EPSF;
391     while (!done) {
392       epsilon*=EPSF;
393       put_in_boxes();
394       actfound=hfind_neighbors();
395       if (actfound >= MINN) {
396         if (!do_zeroth)
397           make_fit(actfound,newcast);
398         else
399           make_zeroth(actfound,newcast);
400         if (onscreen) {
401           for (j=0;j<dim-1;j++)
402             printf("%e ",newcast[j]*interval[j]+min[j]);
403           printf("%e\n",newcast[dim-1]*interval[dim-1]+min[dim-1]);
404           fflush(stdout);
405         }
406         else {
407           for (j=0;j<dim-1;j++)
408             fprintf(file,"%e ",newcast[j]*interval[j]+min[j]);
409           fprintf(file,"%e\n",newcast[dim-1]*interval[dim-1]+min[dim-1]);
410           fflush(file);
411         }
412         done=1;
413         for (j=0;j<dim;j++) {
414           if ((newcast[j] > 2.0) || (newcast[j] < -1.0)) {
415             fprintf(stderr,"Forecast failed. Escaping data region!\n");
416             exit(NSTEP__ESCAPE_REGION);
417           }
418         }
419
420         swap=cast[0];
421         for (j=0;j<hdim-1;j++)
422           cast[j]=cast[j+1];
423         cast[hdim-1]=swap;
424         for (j=0;j<dim;j++)
425           cast[hdim-1][j]=newcast[j];
426       }
427     }
428   }
429   if (!onscreen)
430     fclose(file);
431   
432   if (outfile != NULL)
433     free(outfile);
434   for (i=0;i<embed*dim;i++)
435     free(mat[i]);
436   free(mat);
437   for (i=0;i<hdim;i++)
438     free(cast[i]);
439   free(cast);
440   free(newcast);
441   free(found);
442   free(list);
443   for (i=0;i<NMAX;i++)
444     free(box[i]);
445   free(box);
446   free(vec);
447   free(localav);
448   free(foreav);
449   free(min);
450   free(interval);
451   for (i=0;i<dim;i++)
452     free(series[i]);
453   free(series);
454
455   return 0;
456 }