binaries/src/disembl/Tisean_3.0.1/source_c/polyback.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 4, 1999 */
  21 #include <stdio.h>
  22 #include <stdlib.h>
  23 #include <string.h>
  24 #include <math.h>
  25 #include <limits.h>
  26 #include <time.h>
  27 #include "routines/tsa.h"
  28
  29 #define WID_STR "Does a backward elimination for a polynomial"
  30
  31 char *outfile=NULL,stdo=1;
  32 char *parin=NULL,*infile=NULL;
  33 unsigned long length=ULONG_MAX,insample=ULONG_MAX,exclude=0;
  34 unsigned int plength=UINT_MAX;
  35 unsigned int column=1,dim=2,delay=1,down_to=1,step=1;
  36 unsigned int **order;
  37 unsigned int verbosity=0xff;
  38 double *series,*param;
  39
  40 void show_options(char *progname)
  41 {
  42   what_i_do(progname,WID_STR);
  43   fprintf(stderr,"Usage: %s [Options]\n",progname);
  44   fprintf(stderr,"Options:\n");
  45   fprintf(stderr,"Everything not being a valid option will be interpreted"
  46           " as a possible"
  47           " datafile.\nIf no datafile is given stdin is read. Just - also"
  48           " means stdin\n");
  49   fprintf(stderr,"\t-l # of data to use [default: whole file]\n");
  50   fprintf(stderr,"\t-x # of lines to ignore [default: %lu]\n",exclude);
  51   fprintf(stderr,"\t-c column to read [default: %u]\n",column);
  52   fprintf(stderr,"\t-m embedding dimension [default: %u]\n",dim);
  53   fprintf(stderr,"\t-d delay [default: %u]\n",delay);
  54   fprintf(stderr,"\t-n insample data [default: all]\n");
  55   fprintf(stderr,"\t-s steps to forecast [default: %u]\n",step);
  56   fprintf(stderr,"\t-# reduce down to # terms [default: %u]\n",down_to);
  57   fprintf(stderr,"\t-p name of parameter file [default: parameter.pol]\n");
  58   fprintf(stderr,"\t-o output file name [default: 'datafile'.pbe]\n");
  59   fprintf(stderr,"\t-V verbosity level [default: 1]\n\t\t"
  60           "0='only panic messages'\n\t\t"
  61           "1='+ input/output messages'\n");
  62   fprintf(stderr,"\t-h show these options\n");
  63   exit(0);
  64 }
  65
  66 void scan_options(int n,char **in)
  67 {
  68   char *out;
  69
  70   if ((out=check_option(in,n,'l','u')) != NULL)
  71     sscanf(out,"%lu",&length);
  72   if ((out=check_option(in,n,'x','u')) != NULL)
  73     sscanf(out,"%lu",&exclude);
  74   if ((out=check_option(in,n,'c','u')) != NULL)
  75     sscanf(out,"%u",&column);
  76   if ((out=check_option(in,n,'m','u')) != NULL)
  77     sscanf(out,"%u",&dim);
  78   if ((out=check_option(in,n,'d','u')) != NULL)
  79     sscanf(out,"%u",&delay);
  80   if ((out=check_option(in,n,'n','u')) != NULL)
  81     sscanf(out,"%lu",&insample);
  82   if ((out=check_option(in,n,'#','u')) != NULL)
  83     sscanf(out,"%u",&down_to);
  84   if ((out=check_option(in,n,'s','u')) != NULL)
  85     sscanf(out,"%u",&step);
  86   if ((out=check_option(in,n,'V','u')) != NULL)
  87     sscanf(out,"%u",&verbosity);
  88   if ((out=check_option(in,n,'p','s')) != NULL)
  89     parin=out;
  90   if ((out=check_option(in,n,'o','o')) != NULL) {
  91     stdo=0;
  92     if (strlen(out) > 0)
  93       outfile=out;
  94   }
  95 }
  96
  97 double polynom(unsigned long act,unsigned int which)
  98 {
  99   unsigned int i,j;
 100   double ret=1.0,h;
 101
 102   for (i=0;i<dim;i++) {
 103     h=series[act-i*delay];
 104     for (j=0;j<order[which][i];j++)
 105       ret *= h;
 106   }
 107
 108   return ret;
 109 }
 110
 111 void make_fit(void)
 112 {
 113   double **mat,*vec;
 114   double h;
 115   unsigned long n;
 116   unsigned int i,j;
 117
 118   check_alloc(vec=(double*)malloc(sizeof(double)*plength));
 119   check_alloc(mat=(double**)malloc(sizeof(double*)*plength));
 120   for (i=0;i<plength;i++)
 121     check_alloc(mat[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*plength));
 122
 123   for (i=0;i<plength;i++) {
 124     vec[i]=0.0;
 125     for (j=0;j<plength;j++)
 126       mat[i][j]=0.0;
 127   }
 128
 129   for (n=(dim-1)*delay;n<insample-step;n++) {
 130     for (i=0;i<plength;i++) {
 131       vec[i] += series[n+step]*(h=polynom(n,i));
 132       for (j=i;j<plength;j++)
 133         mat[i][j] += polynom(n,j)*h;
 134     }
 135   }
 136   for (i=0;i<plength;i++) {
 137     vec[i] /= (insample-step-(dim-1)*delay);
 138     for (j=i;j<plength;j++)
 139       mat[j][i]=(mat[i][j]/=(insample-step-(dim-1)*delay));
 140   }
 141
 142   solvele(mat,vec,plength);
 143
 144   for (i=0;i<plength;i++)
 145     param[i]=vec[i];
 146
 147   free(vec);
 148   for (i=0;i<plength;i++)
 149     free(mat[i]);
 150   free(mat);
 151 }
 152
 153 double forecast_error(unsigned long i0,unsigned long i1)
 154 {
 155   unsigned int i;
 156   unsigned long n;
 157   double h,error=0.0;
 158
 159   for (n=i0+(dim-1)*delay;n<i1-step;n++) {
 160     h=0.0;
 161     for (i=0;i<plength;i++)
 162       h += param[i]*polynom(n,i);
 163     error += (series[n+step]-h)*(series[n+step]-h);
 164   }
 165
 166   return sqrt(error/(i1-i0-step-(dim-1)*delay));
 167 }
 168
 169 int main(int argc,char **argv)
 170 {
 171   int i,j,k,l,hl,ibest,counter;
 172   char stdi=0,out_set=1,*parout;
 173   double **dummy,besti,besto,withalli,withallo,errori=0.,erroro=0.;
 174   double av,varianz;
 175   unsigned long hlength=ULONG_MAX;
 176   unsigned int **ini_params,*isout,offset;
 177   FILE *file,*fpars;
 178
 179   if (scan_help(argc,argv))
 180     show_options(argv[0]);
 181
 182   scan_options(argc,argv);
 183 #ifndef OMIT_WHAT_I_DO
 184   if (verbosity&VER_INPUT)
 185     what_i_do(argv[0],WID_STR);
 186 #endif
 187
 188   infile=search_datafile(argc,argv,&column,verbosity);
 189   if (infile == NULL)
 190     stdi=1;
 191
 192   if (outfile == NULL) {
 193     if (!stdi) {
 194       check_alloc(outfile=(char*)calloc(strlen(infile)+5,(size_t)1));
 195       sprintf(outfile,"%s.pbe",infile);
 196     }
 197     else {
 198       check_alloc(outfile=(char*)calloc((size_t)10,(size_t)1));
 199       sprintf(outfile,"stdin.pbe");
 200     }
 201   }
 202   if (!stdo)
 203     test_outfile(outfile);
 204
 205   if (parin == NULL) {
 206     check_alloc(parin=(char*)calloc((size_t)14,(size_t)1));
 207     sprintf(parin,"parameter.pol");
 208   }
 209   file=fopen(parin,"r");
 210   if (file == NULL) {
 211     fprintf(stderr,"File %s does not exist. Exiting!\n",parin);
 212     exit(POLYBACK__WRONG_PARAMETER_FILE);
 213   }
 214   fclose(file);
 215
 216   if (verbosity&VER_INPUT)
 217     fprintf(stderr,"Using %s as the parameter file\n",parin);
 218   dummy=(double**)get_multi_series(parin,&hlength,0LU,&dim,"",(char)1,
 219                                    verbosity);
 220
 221   offset=(unsigned int)(log((double)hlength)/log(10.0)+1.0);
 222   check_alloc(parout=(char*)calloc(strlen(parin)+offset+2,(size_t)1));
 223
 224   check_alloc(ini_params=(unsigned int**)malloc(sizeof(int*)*hlength));
 225   for (i=0;i<hlength;i++) {
 226     check_alloc(ini_params[i]=(unsigned int*)malloc(sizeof(int)*dim));
 227     for (j=0;j<dim;j++)
 228       ini_params[i][j]=(unsigned int)dummy[j][i];
 229   }
 230   check_alloc(isout=(unsigned int*)malloc(sizeof(int)*hlength));
 231
 232   series=(double*)get_series(infile,&length,exclude,column,verbosity);
 233   variance(series,length,&av,&varianz);
 234
 235   if (insample >= length) {
 236     insample=length;
 237     out_set=0;
 238   }
 239
 240   check_alloc(order=(unsigned int**)malloc(sizeof(int*)*hlength));
 241   check_alloc(param=(double*)malloc(sizeof(double)*hlength));
 242   for (i=0;i<hlength;i++) {
 243     isout[i]=0;
 244     check_alloc(order[i]=(unsigned int*)malloc(sizeof(int)*dim));
 245     for (j=0;j<dim;j++)
 246       order[i][j]=ini_params[i][j];
 247   }
 248   plength=hlength;
 249
 250   make_fit();
 251   withalli=forecast_error(0LU,insample);
 252   withallo=0.0;
 253   if (out_set)
 254     withallo=forecast_error(insample+1,length);
 255
 256   if (stdo) {
 257     fprintf(stdout,"%lu %e %e\n",hlength,withalli/varianz,withallo/varianz);
 258     fflush(stdout);
 259   }
 260   else {
 261     file=fopen(outfile,"w");
 262     fprintf(file,"%lu %e %e\n",hlength,withalli/varianz,withallo/varianz);
 263     fflush(file);
 264   }
 265   free(param);
 266   for (i=0;i<plength;i++)
 267     free(order[i]);
 268   free(order);
 269
 270   if ((down_to < 1) || (down_to > hlength))
 271     down_to=1;
 272
 273   for (i=1;i<=hlength-down_to;i++) {
 274     plength=hlength-i;
 275     besti=besto=0.0;
 276     ibest= -1;
 277     check_alloc(order=(unsigned int**)malloc(sizeof(int*)*plength));
 278     check_alloc(param=(double*)malloc(sizeof(double)*plength));
 279     for (j=0;j<plength;j++) {
 280       check_alloc(order[j]=(unsigned int*)malloc(sizeof(int)*dim));
 281     }
 282     counter=plength;
 283     for (j=0;j<hlength;j++)
 284       if (!isout[j]) {
 285         isout[j]++;
 286         hl=0;
 287         for (k=0;k<hlength;k++) {
 288           if (!isout[k]) {
 289             for (l=0;l<dim;l++)
 290               order[hl][l]=ini_params[k][l];
 291             hl++;
 292           }
 293         }
 294         make_fit();
 295         errori=forecast_error(0LU,insample);
 296         if (out_set)
 297           erroro=forecast_error(insample+1,length);
 298         if (ibest == -1) {
 299           besti=errori;
 300           if (out_set)
 301             besto=erroro;
 302           ibest=j;
 303         }
 304         else {
 305           if (out_set) {
 306             if (erroro < besto) {
 307               besto=erroro;
 308               besti=errori;
 309               ibest=j;
 310             }
 311           }
 312           else {
 313             if (errori < besti) {
 314               besti=errori;
 315               besto=erroro;
 316               ibest=j;
 317             }
 318           }
 319         }
 320         isout[j]--;
 321       }
 322     isout[ibest]++;
 323     free(param);
 324     for (j=0;j<plength;j++)
 325       free(order[j]);
 326     free(order);
 327     if (stdo) {
 328       fprintf(stdout,"%u %e %e ",plength,besti/varianz,besto/varianz);
 329       for (j=0;j<dim;j++)
 330         fprintf(stdout,"%u ",ini_params[ibest][j]);
 331       fprintf(stdout,"\n");
 332       fflush(stdout);
 333     }
 334     else {
 335       fprintf(file,"%u %e %e ",plength,besti/varianz,besto/varianz);
 336       for (j=0;j<dim;j++)
 337         fprintf(file,"%u ",ini_params[ibest][j]);
 338       fprintf(file,"\n");
 339       fflush(file);
 340     }
 341     sprintf(parout,"%s.%u",parin,plength);
 342     fpars=fopen(parout,"w");
 343     for (j=0;j<hlength;j++)
 344       if (!isout[j]) {
 345         for (k=0;k<dim;k++)
 346           fprintf(fpars,"%u ",ini_params[j][k]);
 347         fprintf(fpars,"\n");
 348       }
 349     fclose(fpars);
 350   }
 351
 352   if (!stdo)
 353     fclose(file);
 354   return 0;
 355 }