binaries/src/disembl/Tisean_3.0.1/source_c/polynom.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*/
  21 /* Changes:
  22    6/30/2006: Norm of the errors was wrong
  23 */
  24 #include <stdio.h>
  25 #include <stdlib.h>
  26 #include <math.h>
  27 #include <limits.h>
  28 #include <string.h>
  29 #include "routines/tsa.h"
  30
  31 #define WID_STR "Fits a polynomial to the data"
  32
  33 char CAST=0,sinsample=0,*outfile=NULL;
  34 char *infile=NULL;
  35 unsigned long LENGTH=ULONG_MAX,exclude=0;
  36 long CLENGTH=1000;
  37 unsigned long INSAMPLE=ULONG_MAX;
  38 int DIM=2,DELAY=1,N=2;
  39 unsigned int COLUMN=1;
  40 unsigned int pars=1,hpar;
  41 unsigned int verbosity=0xff;
  42
  43 long *coding;
  44 long maxencode;
  45 double *series,*results;
  46 double std_dev;
  47
  48 void show_options(char *progname)
  49 {
  50   what_i_do(progname,WID_STR);
  51   fprintf(stderr," Usage: %s [options]\n",progname);
  52   fprintf(stderr," Options:\n");
  53   fprintf(stderr,"Everything not being a valid option will be interpreted"
  54           " as a possible"
  55           " datafile.\nIf no datafile is given stdin is read. Just - also"
  56           " means stdin\n");
  57   fprintf(stderr,"\t-l # of data to use [default: whole file]\n");
  58   fprintf(stderr,"\t-x # of lines to be ignored [default: 0]\n");
  59   fprintf(stderr,"\t-c column to read [default: 1]\n");
  60   fprintf(stderr,"\t-m embedding dimension [default: 2]\n");
  61   fprintf(stderr,"\t-d delay [default: 1]\n");
  62   fprintf(stderr,"\t-p order of the polynomial [default: 2]\n");
  63   fprintf(stderr,"\t-n # of points for insample [default: # of data]\n");
  64   fprintf(stderr,"\t-L steps to cast [default: none]\n");
  65   fprintf(stderr,"\t-o output file name [default: 'datafile'.pol]\n");
  66   fprintf(stderr,"\t-V verbosity level [default: 1]\n\t\t"
  67           "0='only panic messages'\n\t\t"
  68           "1='+ input/output messages'\n");
  69   fprintf(stderr,"\t-h show these options\n");
  70   exit(0);
  71 }
  72
  73 void scan_options(int n,char **in)
  74 {
  75   char *out;
  76
  77   if ((out=check_option(in,n,'l','u')) != NULL)
  78     sscanf(out,"%lu",&LENGTH);
  79   if ((out=check_option(in,n,'x','u')) != NULL)
  80     sscanf(out,"%lu",&exclude);
  81   if ((out=check_option(in,n,'c','u')) != NULL)
  82     sscanf(out,"%u",&COLUMN);
  83   if ((out=check_option(in,n,'m','u')) != NULL)
  84     sscanf(out,"%u",&DIM);
  85   if ((out=check_option(in,n,'d','u')) != NULL)
  86     sscanf(out,"%u",&DELAY);
  87   if ((out=check_option(in,n,'p','u')) != NULL)
  88     sscanf(out,"%u",&N);
  89   if ((out=check_option(in,n,'V','u')) != NULL)
  90     sscanf(out,"%u",&verbosity);
  91   if ((out=check_option(in,n,'n','u')) != NULL) {
  92     sscanf(out,"%lu",&INSAMPLE);
  93     sinsample=1;
  94   }
  95   if ((out=check_option(in,n,'L','u')) != NULL) {
  96     CAST=1;
  97     sscanf(out,"%lu",&CLENGTH);
  98   }
  99   if ((out=check_option(in,n,'o','o')) != NULL)
 100     if (strlen(out) > 0)
 101       outfile=out;
 102 }
 103
 104 double polynom(int act,int dim,long cur,long fac)
 105 {
 106   int j,n,hi;
 107   double ret=1.0;
 108
 109   n=cur/fac;
 110   hi=act-(dim-1)*DELAY;
 111   for (j=1;j<=n;j++)
 112     ret *= series[hi];
 113   if (dim > 1)
 114     ret *= polynom(act,dim-1,cur-n*fac,fac/(N+1));
 115
 116   return ret;
 117 }
 118
 119 int number_pars(int ord,int start)
 120 {
 121   int i,ret=0;
 122
 123   if (ord == 1)
 124     for (i=start;i<=DIM;i++)
 125       ret += 1;
 126   else
 127     for (i=start;i<=DIM;i++)
 128       ret += number_pars(ord-1,i);
 129
 130   return ret;
 131 }
 132
 133 void make_coding(int ord,int d,int fac,int cur)
 134 {
 135   int j;
 136
 137   if ( d == -1)
 138     coding[hpar++]=cur;
 139   else
 140     for (j=0;j<=ord;j++)
 141       make_coding(ord-j,d-1,fac*(N+1),cur+j*fac);
 142 }
 143
 144 void make_fit(void)
 145 {
 146   int i,j,k;
 147   double **mat,*b;
 148
 149   check_alloc(b=(double*)malloc(sizeof(double)*pars));
 150   check_alloc(mat=(double**)malloc(sizeof(double*)*pars));
 151   for (i=0;i<pars;i++)
 152     check_alloc(mat[i]=(double*)malloc(sizeof(double)*pars));
 153
 154   for (i=0;i<pars;i++) {
 155     b[i]=0.0;
 156     for (j=0;j<pars;j++)
 157       mat[i][j]=0.0;
 158   }
 159
 160   for (i=0;i<pars;i++)
 161     for (j=i;j<pars;j++)
 162       for (k=(DIM-1)*DELAY;k<INSAMPLE-1;k++)
 163         mat[i][j] += polynom(k,DIM,coding[i],maxencode)*
 164           polynom(k,DIM,coding[j],maxencode);
 165   for (i=0;i<pars;i++)
 166     for (j=i;j<pars;j++)
 167       mat[j][i]=(mat[i][j] /= (INSAMPLE-1-(DIM-1)*DELAY));
 168
 169   for (i=0;i<pars;i++) {
 170     for (j=(DIM-1)*DELAY;j<INSAMPLE-1;j++)
 171       b[i] += series[j+1]*polynom(j,DIM,coding[i],maxencode);
 172     b[i] /= (INSAMPLE-1-(DIM-1)*DELAY);
 173   }
 174   solvele(mat,b,pars);
 175
 176   for (i=0;i<pars;i++)
 177     results[i]=b[i];
 178
 179   free(b);
 180   for (i=0;i<pars;i++)
 181     free(mat[i]);
 182   free(mat);
 183 }
 184
 185 void decode(int *out,int dim,long cur,long fac)
 186 {
 187   int n;
 188
 189   n=cur/fac;
 190   out[dim]=n;
 191   if (dim > 0)
 192     decode(out,dim-1,cur-(long)n*fac,fac/(N+1));
 193 }
 194
 195 double make_error(unsigned long i0,unsigned long i1)
 196 {
 197   int j,k;
 198   double h,err;
 199
 200   err=0.0;
 201   for (j=i0+(DIM-1)*DELAY;j<(long)i1-1;j++) {
 202     h=0.0;
 203     for (k=0;k<pars;k++)
 204       h += results[k]*polynom(j,DIM,coding[k],maxencode);
 205     err += (series[j+1]-h)*(series[j+1]-h);
 206   }
 207   return err /= ((long)i1-(long)i0-(DIM-1)*DELAY);
 208 }
 209
 210 void make_cast(FILE *fcast)
 211 {
 212   int i,j,k,hi;
 213   double casted;
 214
 215   for (i=0;i<=(DIM-1)*DELAY;i++)
 216     series[i]=series[LENGTH-(DIM-1)*DELAY-1+i];
 217
 218   hi=(DIM-1)*DELAY;
 219   for (i=1;i<=CLENGTH;i++) {
 220     casted=0.0;
 221     for (k=0;k<pars;k++)
 222       casted += results[k]*polynom((DIM-1)*DELAY,DIM,coding[k],maxencode);
 223     fprintf(fcast,"%e\n",casted*std_dev);
 224     fflush(fcast);
 225     for (j=0;j<(DIM-1)*DELAY;j++)
 226       series[j]=series[j+1];
 227     series[hi]=casted;
 228   }
 229   fclose(fcast);
 230 }
 231
 232 int main(int argc,char **argv)
 233 {
 234   char stdi=0;
 235   int i,j,k;
 236   int *opar,sumpar;
 237   double in_error,out_error,av;
 238   FILE *file;
 239
 240   if (scan_help(argc,argv))
 241     show_options(argv[0]);
 242
 243   scan_options(argc,argv);
 244 #ifndef OMIT_WHAT_I_DO
 245   if (verbosity&VER_INPUT)
 246     what_i_do(argv[0],WID_STR);
 247 #endif
 248
 249   infile=search_datafile(argc,argv,&COLUMN,verbosity);
 250   if (infile == NULL)
 251     stdi=1;
 252
 253   if (outfile == NULL) {
 254     if (!stdi) {
 255       check_alloc(outfile=(char*)calloc(strlen(infile)+5,(size_t)1));
 256       strcpy(outfile,infile);
 257       strcat(outfile,".pol");
 258     }
 259     else {
 260       check_alloc(outfile=(char*)calloc((size_t)10,(size_t)1));
 261       strcpy(outfile,"stdin.pol");
 262     }
 263   }
 264   test_outfile(outfile);
 265
 266   series=(double*)get_series(infile,&LENGTH,exclude,COLUMN,verbosity);
 267   variance(series,LENGTH,&av,&std_dev);
 268   for (i=0;i<LENGTH;i++)
 269     series[i] /= std_dev;
 270
 271   if (!sinsample || (INSAMPLE > LENGTH))
 272     INSAMPLE=LENGTH;
 273
 274   maxencode=1;
 275   for (i=1;i<DIM;i++)
 276     maxencode *= (N+1);
 277
 278   for (i=1;i<=N;i++) {
 279     pars += number_pars(i,1);
 280   }
 281   file=fopen(outfile,"w");
 282   if (verbosity&VER_INPUT)
 283     fprintf(stderr,"Opened %s for writing\n",outfile);
 284   fprintf(file,"#number of free parameters= %d\n\n",pars);
 285   fflush(file);
 286   check_alloc(coding=(long*)malloc(sizeof(long)*pars));
 287   hpar=0;
 288   make_coding(N,DIM-1,1,0);
 289
 290   check_alloc(results=(double*)malloc(sizeof(double)*pars));
 291   make_fit();
 292
 293   check_alloc(opar=(int*)malloc(sizeof(int)*DIM));
 294   fprintf(file,"#used norm for the fit= %e\n",std_dev);
 295
 296   for (j=0;j<pars;j++) {
 297     decode(opar,DIM-1,coding[j],maxencode);
 298     fprintf(file,"#");
 299     sumpar=0;
 300     for (k=0;k<DIM;k++) {
 301       sumpar += opar[k];
 302       fprintf(file,"%d ",opar[k]);
 303     }
 304     fprintf(file,"%e\n",results[j]/pow(std_dev,(double)(sumpar-1)));
 305   }
 306   fprintf(file,"\n");
 307
 308   in_error=make_error((unsigned long)0,INSAMPLE);
 309
 310   fprintf(file,"#average insample error= %e\n",sqrt(in_error));
 311
 312   if (INSAMPLE < LENGTH) {
 313     out_error=make_error(INSAMPLE,LENGTH);
 314     fprintf(file,"#average out of sample error= %e\n",sqrt(out_error));
 315   }
 316
 317   if (CAST)
 318     make_cast(file);
 319   fclose(file);
 320
 321   return 0;
 322 }