root/applications/robust/robustlib.h @ 1207

Revision 1207, 20.5 kB (checked in by sindj, 14 years ago)

Zase kousek dal. JS

Line 
1/*!
2  \file
3  \brief Robust Bayesian auto-regression model
4  \author Jan Sindelar.
5*/
6
7#ifndef ROBUST_H
8#define ROBUST_H
9
10#include <stat/exp_family.h>
11#include <limits>
12#include <vector>
13#include <algorithm>
14       
15using namespace bdm;
16using namespace std;
17using namespace itpp;
18
19const double max_range = numeric_limits<double>::max()/10e-5;
20
21class polyhedron;
22class vertex;
23
24/// A class describing a single polyhedron of the split complex. From a collection of such classes a Hasse diagram
25/// of the structure in the exponent of a Laplace-Inverse-Gamma density will be created.
26class polyhedron
27{
28        /// A property having a value of 1 usually, with higher value only if the polyhedron arises as a coincidence of
29        /// more than just the necessary number of conditions. For example if a newly created line passes through an already
30        /// existing point, the points multiplicity will rise by 1.
31        int multiplicity;       
32
33        int split_state;
34
35        int merge_state;
36
37       
38
39public:
40        /// A list of polyhedrons parents within the Hasse diagram.
41        vector<polyhedron*> parents;
42
43        /// A list of polyhedrons children withing the Hasse diagram.
44        vector<polyhedron*> children;
45
46        /// All the vertices of the given polyhedron
47        vector<vertex*> vertices;
48
49        /// A list used for storing children that lie in the positive region related to a certain condition
50        vector<polyhedron*> positivechildren;
51
52        /// A list used for storing children that lie in the negative region related to a certain condition
53        vector<polyhedron*> negativechildren;
54
55        /// Children intersecting the condition
56        vector<polyhedron*> neutralchildren;
57
58        vector<polyhedron*> mergechildren;
59
60        polyhedron* positiveparent;
61
62        polyhedron* negativeparent;
63
64        int message_counter;
65
66        /// List of triangulation polyhedrons of the polyhedron given by their relative vertices.
67        vector<vector<vertex*>> triangulations;
68
69        /// A list of relative addresses serving for Hasse diagram construction.
70        vector<int> kids_rel_addresses;
71
72        /// Default constructor
73        polyhedron()
74        {
75                multiplicity = 1;
76
77                message_counter = 0;
78        }
79       
80        /// Setter for raising multiplicity
81        void raise_multiplicity()
82        {
83                multiplicity++;
84        }
85
86        /// Setter for lowering multiplicity
87        void lower_multiplicity()
88        {
89                multiplicity--;
90        }
91       
92        /// An obligatory operator, when the class is used within a C++ STL structure like a vector
93        int operator==(polyhedron polyhedron2)
94        {
95                return true;
96        }
97
98        /// An obligatory operator, when the class is used within a C++ STL structure like a vector
99        int operator<(polyhedron polyhedron2)
100        {
101                return false;
102        }
103
104        void set_state(double state_indicator, actions action)
105        {
106                switch(action)
107                {
108                        case MERGE:
109                                merge_state = (int)sign(state_indicator);                       
110                        break;
111                        case SPLIT:
112                                split_state = (int)sign(state_indicator);
113                        break;
114                }
115        }
116
117        int get_state(actions action)
118        {
119                switch(action)
120                {
121                        case MERGE:
122                                return merge_state;                     
123                        break;
124                        case SPLIT:
125                                return split_state;
126                        break;
127                }
128        }
129
130        int number_of_children()
131        {
132                return children.size();
133        }
134
135       
136};
137
138/// A class for representing 0-dimensional polyhedron - a vertex. It will be located in the bottom row of the Hasse
139/// diagram representing a complex of polyhedrons. It has its coordinates in the parameter space.
140class vertex : public polyhedron
141{
142        /// A dynamic array representing coordinates of the vertex
143        vec coordinates;       
144
145        enum actions {MERGE, SPLIT};
146
147public:
148
149
150
151        /// Default constructor
152        vertex();
153
154        /// Constructor of a vertex from a set of coordinates
155        vertex(vec coordinates)
156        {
157                this->coordinates = coordinates;
158        }
159
160        /// A method that widens the set of coordinates of given vertex. It is used when a complex in a parameter
161        /// space of certain dimension is established, but the dimension is not known when the vertex is created.
162        void push_coordinate(double coordinate)
163        {
164                coordinates = concat(coordinates,coordinate);
165        }
166
167        /// A method obtaining the set of coordinates of a vertex. These coordinates are not obtained as a pointer
168        /// (not given by reference), but a new copy is created (they are given by value).
169        vec get_coordinates()
170        {               
171                return coordinates;
172        }
173
174               
175};
176
177/// A class representing a polyhedron in a top row of the complex. Such polyhedron has a condition that differitiates
178/// it from polyhedrons in other rows.
179class toprow : public polyhedron
180{
181       
182public:
183        /// A condition used for determining the function of a Laplace-Inverse-Gamma density resulting from Bayesian estimation
184        vec condition;
185
186        /// Default constructor
187        toprow();
188
189        /// Constructor creating a toprow from the condition
190        toprow(vec condition)
191        {
192                this->condition = condition;
193        }
194
195};
196
197class condition
198{       
199public:
200        vec value;     
201
202        int multiplicity;
203
204        condition(vec value)
205        {
206                this->value = value;
207                multiplicity = 1;
208        }
209}
210
211
212//! Conditional(e) Multicriteria-Laplace-Inverse-Gamma distribution density
213class emlig // : eEF
214{
215
216        /// A statistic in a form of a Hasse diagram representing a complex of convex polyhedrons obtained as a result
217        /// of data update from Bayesian estimation or set by the user if this emlig is a prior density
218        vector<vector<polyhedron*>> statistic;
219
220        vector<vector<polyhedron*>> for_splitting;
221               
222        vector<vector<polyhedron*>> for_merging;
223
224        vector<condition*> conditions;
225
226        double normalization_factor;
227
228        void alter_toprow_conditions(vec condition, bool should_be_added)
229        {
230                for(vector<polyhedron*>::iterator horiz_ref = statistic[statistic.size()-1].begin();horiz_ref<statistic[statistic.size()-1].end();horiz_ref++)
231                {
232                        double product = 0;
233
234                        vector<vertex*>::iterator vertex_ref = (*horiz_ref)->vertices.begin();
235
236                        do
237                        {
238                                product = (*vertex_ref)->coordinates*condition;
239                        }
240                        while(product == 0)
241
242                        if((product>0 && should_be_added)||(product<0 && !should_be_added))
243                        {
244                                ((toprow*) (*horiz_ref))->condition += condition;
245                        }
246                        else
247                        {
248                                ((toprow*) (*horiz_ref))->condition -= condition;
249                        }                                                       
250                }
251        }
252
253
254        void send_state_message(polyhedron* sender, bool shouldsplit, bool shouldmerge, int level)
255        {
256                if(shouldsplit||shouldmerge)
257                {
258                        for(vector<polyhedron*>::iterator parent_iterator = sender->parents.begin();parent_iterator<sender->parents.end();parent_iterator++)
259                        {
260                                polyhedron* current_parent = *parent_iterator;
261
262                                current_parent->message_counter++;
263
264                                bool is_last = (current_parent->message_counter == current_parent->number_of_children());
265
266                                if(shouldmerge)
267                                {
268                                        int child_state  = sender->get_state(MERGE);
269                                        int parent_state = current_parent->get_state(MERGE);
270
271                                        if(parent_state == 0)
272                                        {
273                                                current_parent->set_state(child_state, MERGE);
274
275                                                if(child_state == 0)
276                                                {
277                                                        current_parent->mergechildren.push_back(sender);
278                                                }
279                                        }
280                                        else
281                                        {
282                                                if(child_state == 0)
283                                                {
284                                                        if(parent_state > 0)
285                                                        {
286                                                                sender->positiveparent = current_parent;
287                                                        }
288                                                        else
289                                                        {
290                                                                sender->negativeparent = current_parent;
291                                                        }
292                                                }
293                                        }
294
295                                        if(is_last)
296                                        {
297                                                if(parent_state > 0)
298                                                {
299                                                        for(vector<polyhedron*>::iterator merge_child = current_parent->mergechildren.begin(); merge_child < current_parent->mergechildren.end();merge_child++)
300                                                        {
301                                                                (*merge_child)->positiveparent = current_parent;
302                                                        }
303                                                }
304
305                                                if(parent_state < 0)
306                                                {
307                                                        for(vector<polyhedron*>::iterator merge_child = current_parent->mergechildren.begin(); merge_child < current_parent->mergechildren.end();merge_child++)
308                                                        {
309                                                                (*merge_child)->negativeparent = current_parent;
310                                                        }
311                                                }
312
313                                                if(parent_state == 0)
314                                                {
315                                                        for_merging[level+1].push_back(current_parent);
316                                                }
317
318                                                current_parent->mergechildren.clear();
319                                        }
320
321                                        if(shouldsplit)
322                                        {
323                                                switch(sender->get_state(SPLIT))
324                                                {
325                                                case 1:
326                                                        current_parent->positivechildren.push_back(sender);     
327                                                break;
328                                                case 0:
329                                                        current_parent->neutralchildren.push_back(sender);
330                                                break;
331                                                case -1:
332                                                        current_parent->negativechildren.push_back(sender);
333                                                break;
334                                                }
335
336                                                if(is_last)
337                                                {
338                                                        if(current_parent->negativechildren.size()>0) 
339                                                        {                                                               
340                                                                if(current_parent->positivechildren.size()>0)
341                                                                {
342                                                                        for_splitting[level+1].push_back(current_parent);
343                                                               
344                                                                        current_parent->set_state(0, SPLIT);
345                                                                }
346                                                                else 
347                                                                {
348                                                                        current_parent->set_state(-1, SPLIT);
349
350                                                                        current_parent->negativechildren.clear();
351                                                                        current_parent->neutralchildren.clear();
352                                                                }
353                                                        }
354                                                        else if(current_parent->positivechildren.size()>0)
355                                                        {
356                                                                current_parent->set_state(1, SPLIT);
357
358                                                                current_parent->positivechildren.clear();
359                                                                current_parent->neutralchildren.clear();
360                                                        }
361                                                        else
362                                                        {
363                                                                current_parent->raise_multiplicity();
364
365                                                                current_parent->neutralchildren.clear();
366                                                        }
367                                                }
368                                        }
369
370                                        if(is_last)
371                                        {
372                                                send_state_message(current_parent,shouldsplit,shouldmerge,level+1);
373                                        }
374                                }                       
375                       
376                        }
377                       
378                }               
379        }
380       
381public: 
382
383        /// A default constructor creates an emlig with predefined statistic representing only the range of the given
384        /// parametric space, where the number of parameters of the needed model is given as a parameter to the constructor.
385        emlig(int number_of_parameters)
386        {
387                create_statistic(number_of_parameters);
388
389                for(int i = 0;i<statistic.size();i++)
390                {
391                        vector<polyhedron*> empty_split;
392                        vector<polyhedron*> empty_merge;
393
394                        for_splitting.push_back(empty_split);
395                        for_merging.push_back(empty_merge);
396                }
397        }
398
399        /// A constructor for creating an emlig when the user wants to create the statistic by himself. The creation of a
400        /// statistic is needed outside the constructor. Used for a user defined prior distribution on the parameters.
401        emlig(vector<vector<polyhedron*>> statistic)
402        {
403                this->statistic = statistic;
404        }
405
406        void add_and_remove_condition(vec toremove, vec toadd)
407        {
408                vector<condition*>::iterator toremove_ref = conditions.end();
409                bool condition_should_be_added = false;
410
411                for(vector<condition*>::iterator ref = conditions.begin();ref<conditions.end();ref++)
412                {
413                        if(toremove != NULL)
414                        {
415                                if((*ref)->value == toremove)
416                                {
417                                        if(multiplicity>1)
418                                        {
419                                                multiplicity--;
420
421                                                alter_toprow_conditions(toremove,false);
422
423                                                toremove = NULL;
424                                        }
425                                        else
426                                        {
427                                                toremove_ref = ref;                                                     
428                                        }
429                                }
430                        }
431
432                        if(toadd != NULL)
433                        {
434                                if((*iterator)->value == toadd)
435                                {
436                                        (*iterator)->multiplicity++;
437
438                                        alter_toprow_conditions(toadd,true);
439
440                                        toadd = NULL;
441                                }
442                                else
443                                {
444                                        condition_should_be_added = true;
445                                }
446                        }
447                }
448
449                if(toremove_ref!=conditions.end())
450                {
451                        conditions.erase(toremove_ref);
452                }
453
454                if(condition_should_be_added)
455                {
456                        conditions.push_back(new condition(toadd));
457                }
458
459               
460
461                for(vector<polyhedron*>::iterator horizontal_position = statistic[0].begin();horizontal_position<statistic[0].end();horizontal_position++)
462                {               
463                        vertex* current_vertex = (vertex*)horizontal_position;
464                       
465                        if(toadd != NULL)
466                        {
467                                current_vertex->set_state(toadd*current_vertex->coordinates,SPLIT);
468                        }
469                       
470                        if(toremove != NULL)
471                        {
472                                current_vertex->set_state(toremove*current_vertex->coordinates,MERGE);
473
474                                if(current_vertex->get_state(MERGE) == 0)
475                                {
476                                        for_merging[0].push_back(current_vertex);
477                                }
478                        }
479
480                        send_state_message(current_vertex, toadd != NULL, toremove != NULL, 0);
481
482                       
483                }
484        }
485
486protected:
487
488        /// A method for creating plain default statistic representing only the range of the parameter space.
489    void create_statistic(int number_of_parameters)
490        {
491                // An empty vector of coordinates.
492                vec origin_coord;       
493
494                // We create an origin - this point will have all the coordinates zero, but now it has an empty vector of coords.
495                vertex *origin = new vertex(origin_coord);
496
497                // It has itself as a vertex. There will be a nice use for this when the vertices of its parents are searched in
498                // the recursive creation procedure below.
499                origin->vertices.push_back(origin);
500
501                // As a statistic, we have to create a vector of vectors of polyhedron pointers. It will then represent the Hasse
502                // diagram. First we create a vector of polyhedrons..
503                vector<polyhedron*> origin_vec;
504
505                // ..we fill it with the origin..
506                origin_vec.push_back(origin);
507
508                // ..and we fill the statistic with the created vector.
509                statistic.push_back(origin_vec);
510
511                // Now we have a statistic for a zero dimensional space. Regarding to how many dimensional space we need to
512                // describe, we have to widen the descriptional default statistic. We use an iterative procedure as follows:
513                for(int i=0;i<number_of_parameters;i++)
514                {
515                        // We first will create two new vertices. These will be the borders of the parameter space in the dimension
516                        // of newly added parameter. Therefore they will have all coordinates except the last one zero. We get the
517                        // right amount of zero cooridnates by reading them from the origin
518                        vec origin_coord = origin->get_coordinates();                                           
519
520                        // And we incorporate the nonzero coordinates into the new cooordinate vectors
521                        vec origin_coord1 = concat(origin_coord,max_range);
522                        vec origin_coord2 = concat(origin_coord,-max_range);
523
524                        // Now we create the points
525                        vertex *new_point1 = new vertex(origin_coord1);
526                        vertex *new_point2 = new vertex(origin_coord2);
527                       
528                        //*********************************************************************************************************
529                        // The algorithm for recursive build of a new Hasse diagram representing the space structure from the old
530                        // diagram works so that you create two copies of the old Hasse diagram, you shift them up one level (points
531                        // will be segments, segments will be areas etc.) and you connect each one of the original copied polyhedrons
532                        // with its offspring by a parent-child relation. Also each of the segments in the first (second) copy is
533                        // connected to the first (second) newly created vertex by a parent-child relation.
534                        //*********************************************************************************************************
535
536
537                        // Create the vectors of vectors of pointers to polyhedrons to hold the copies of the old Hasse diagram
538                        vector<vector<polyhedron*>> new_statistic1;
539                        vector<vector<polyhedron*>> new_statistic2;
540
541                        // Copy the statistic by rows
542                        for(int j=0;j<statistic.size();j++)
543                        {
544                                // an element counter
545                                int element_number = 0;
546
547                                vector<polyhedron*> supportnew_1;
548                                vector<polyhedron*> supportnew_2;
549
550                                new_statistic1.push_back(supportnew_1);
551                                new_statistic2.push_back(supportnew_2);
552
553                                // for each polyhedron in the given row
554                                for(vector<polyhedron*>::iterator horiz_ref = statistic[j].begin();horiz_ref<statistic[j].end();horiz_ref++)
555                                {       
556                                        // Append an extra zero coordinate to each of the vertices for the new dimension
557                                        // If j==0 => we loop through vertices
558                                        if(j == 0)
559                                        {
560                                                // cast the polyhedron pointer to a vertex pointer and push a zero to its vector of coordinates
561                                                ((vertex*) (*horiz_ref))->push_coordinate(0);
562                                        }
563
564                                        // if it has parents
565                                        if(!(*horiz_ref)->parents.empty())
566                                        {
567                                                // save the relative address of this child in a vector kids_rel_addresses of all its parents.
568                                                // This information will later be used for copying the whole Hasse diagram with each of the
569                                                // relations contained within.
570                                                for(vector<polyhedron*>::iterator parent_ref = (*horiz_ref)->parents.begin();parent_ref < (*horiz_ref)->parents.end();parent_ref++)
571                                                {
572                                                        (*parent_ref)->kids_rel_addresses.push_back(element_number);                                                   
573                                                }                                               
574                                        }
575
576                                        // **************************************************************************************************
577                                        // Here we begin creating a new polyhedron, which will be a copy of the old one. Each such polyhedron
578                                        // will be created as a toprow, but this information will be later forgotten and only the polyhedrons
579                                        // in the top row of the Hasse diagram will be considered toprow for later use.
580                                        // **************************************************************************************************
581
582                                        // First we create vectors specifying a toprow condition. In the case of a preconstructed statistic
583                                        // this condition will be a vector of zeros. There are two vectors, because we need two copies of
584                                        // the original Hasse diagram.
585                                        vec vec1(i+2);
586                                        vec1.zeros();
587
588                                        vec vec2(i+2);
589                                        vec2.zeros();
590
591                                        // We create a new toprow with the previously specified condition.
592                                        toprow *current_copy1 = new toprow(vec1);
593                                        toprow *current_copy2 = new toprow(vec2);                                       
594
595                                        // The vertices of the copies will be inherited, because there will be a parent/child relation
596                                        // between each polyhedron and its offspring (comming from the copy) and a parent has all the
597                                        // vertices of its child plus more.
598                                        for(vector<vertex*>::iterator vert_ref = (*horiz_ref)->vertices.begin();vert_ref<(*horiz_ref)->vertices.end();vert_ref++)
599                                        {
600                                                current_copy1->vertices.push_back(*vert_ref);
601                                                current_copy2->vertices.push_back(*vert_ref);                                           
602                                        }
603                                       
604                                        // The only new vertex of the offspring should be the newly created point.
605                                        current_copy1->vertices.push_back(new_point1);
606                                        current_copy2->vertices.push_back(new_point2);
607                                       
608                                        // This method guarantees that each polyhedron is already triangulated, therefore its triangulation
609                                        // is only one set of vertices and it is the set of all its vertices.
610                                        current_copy1->triangulations.push_back(current_copy1->vertices);
611                                        current_copy2->triangulations.push_back(current_copy2->vertices);
612                                       
613                                        // Now we have copied the polyhedron and we have to copy all of its relations. Because we are copying
614                                        // in the Hasse diagram from bottom up, we always have to copy the parent/child relations to all the
615                                        // kids and when we do that and know the child, in the child we will remember the parent we came from.
616                                        // This way all the parents/children relations are saved in both the parent and the child.
617                                        if(!(*horiz_ref)->kids_rel_addresses.empty())
618                                        {
619                                                for(vector<int>::iterator kid_ref = (*horiz_ref)->kids_rel_addresses.begin();kid_ref<(*horiz_ref)->kids_rel_addresses.end();kid_ref++)
620                                                {       
621                                                        // find the child and save the relation to the parent
622                                                        current_copy1->children.push_back(new_statistic1[j-1][(*kid_ref)]);
623                                                        current_copy2->children.push_back(new_statistic2[j-1][(*kid_ref)]);
624
625                                                        // in the child save the parents' address
626                                                        new_statistic1[j-1][(*kid_ref)]->parents.push_back(current_copy1);
627                                                        new_statistic2[j-1][(*kid_ref)]->parents.push_back(current_copy2);
628                                                }                                               
629
630                                                // Here we clear the parents kids_rel_addresses vector for later use (when we need to widen the
631                                                // Hasse diagram again)
632                                                (*horiz_ref)->kids_rel_addresses.clear();
633                                        }
634                                        // If there were no children previously, we are copying a polyhedron that has been a vertex before.
635                                        // In this case it is a segment now and it will have a relation to its mother (copywise) and to the
636                                        // newly created point. Here we create the connection to the new point, again from both sides.
637                                        else
638                                        {
639                                                // Add the address of the new point in the former vertex
640                                                current_copy1->children.push_back(new_point1);
641                                                current_copy2->children.push_back(new_point2);
642
643                                                // Add the address of the former vertex in the new point
644                                                new_point1->parents.push_back(current_copy1);
645                                                new_point2->parents.push_back(current_copy2);
646                                        }
647
648                                        // Save the mother in its offspring
649                                        current_copy1->children.push_back(*horiz_ref);
650                                        current_copy2->children.push_back(*horiz_ref);
651
652                                        // Save the offspring in its mother
653                                        (*horiz_ref)->parents.push_back(current_copy1);
654                                        (*horiz_ref)->parents.push_back(current_copy2); 
655                                                               
656                                       
657                                        // Add the copies into the relevant statistic. The statistic will later be appended to the previous
658                                        // Hasse diagram
659                                        new_statistic1[j].push_back(current_copy1);
660                                        new_statistic2[j].push_back(current_copy2);
661                                       
662                                        // Raise the count in the vector of polyhedrons
663                                        element_number++;
664                                       
665                                }                               
666                        }
667
668                        statistic[0].push_back(new_point1);
669                        statistic[0].push_back(new_point2);
670
671                        // Merge the new statistics into the old one. This will either be the final statistic or we will
672                        // reenter the widening loop.
673                        for(int j=0;j<new_statistic1.size();j++)
674                        {
675                                if(j+1==statistic.size())
676                                {
677                                        vector<polyhedron*> support;
678                                        statistic.push_back(support);
679                                }
680                               
681                                statistic[j+1].insert(statistic[j+1].end(),new_statistic1[j].begin(),new_statistic1[j].end());
682                                statistic[j+1].insert(statistic[j+1].end(),new_statistic2[j].begin(),new_statistic2[j].end());
683                        }
684                }
685        }
686
687
688       
689       
690};
691
692//! Robust Bayesian AR model for Multicriteria-Laplace-Inverse-Gamma density
693class RARX : public BM
694{
695private:
696
697        emlig posterior;
698
699public:
700        RARX():BM()
701        {
702        };
703
704        void bayes(const itpp::vec &yt, const itpp::vec &cond = empty_vec)
705        {
706               
707        }
708
709};
710
711
712#endif //TRAGE_H
Note: See TracBrowser for help on using the browser.