root/applications/robust/robustlib.h @ 1209

Revision 1208, 21.7 kB (checked in by sindj, 14 years ago)

Dodelavky mergovani a splitovani - zatim nedokonceno. 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
21enum actions {MERGE, SPLIT};
22
23class polyhedron;
24class vertex;
25
26/// A class describing a single polyhedron of the split complex. From a collection of such classes a Hasse diagram
27/// of the structure in the exponent of a Laplace-Inverse-Gamma density will be created.
28class polyhedron
29{
30        /// A property having a value of 1 usually, with higher value only if the polyhedron arises as a coincidence of
31        /// more than just the necessary number of conditions. For example if a newly created line passes through an already
32        /// existing point, the points multiplicity will rise by 1.
33        int multiplicity;       
34
35        int split_state;
36
37        int merge_state;
38
39       
40
41public:
42        /// A list of polyhedrons parents within the Hasse diagram.
43        vector<polyhedron*> parents;
44
45        /// A list of polyhedrons children withing the Hasse diagram.
46        vector<polyhedron*> children;
47
48        /// All the vertices of the given polyhedron
49        vector<vertex*> vertices;
50
51        /// A list used for storing children that lie in the positive region related to a certain condition
52        vector<polyhedron*> positivechildren;
53
54        /// A list used for storing children that lie in the negative region related to a certain condition
55        vector<polyhedron*> negativechildren;
56
57        /// Children intersecting the condition
58        vector<polyhedron*> neutralchildren;
59
60        bool totally_neutral;
61
62        vector<polyhedron*> mergechildren;
63
64        polyhedron* positiveparent;
65
66        polyhedron* negativeparent;
67
68        int message_counter;
69
70        /// List of triangulation polyhedrons of the polyhedron given by their relative vertices.
71        vector<vector<vertex*>> triangulations;
72
73        /// A list of relative addresses serving for Hasse diagram construction.
74        vector<int> kids_rel_addresses;
75
76        /// Default constructor
77        polyhedron()
78        {
79                multiplicity = 1;
80
81                message_counter = 0;
82
83                totally_neutral = NULL;
84        }
85       
86        /// Setter for raising multiplicity
87        void raise_multiplicity()
88        {
89                multiplicity++;
90        }
91
92        /// Setter for lowering multiplicity
93        void lower_multiplicity()
94        {
95                multiplicity--;
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 true;
102        }
103
104        /// An obligatory operator, when the class is used within a C++ STL structure like a vector
105        int operator<(polyhedron polyhedron2)
106        {
107                return false;
108        }
109
110       
111
112        void set_state(double state_indicator, actions action)
113        {
114                switch(action)
115                {
116                        case MERGE:
117                                merge_state = (int)sign(state_indicator);                       
118                        break;
119                        case SPLIT:
120                                split_state = (int)sign(state_indicator);
121                        break;
122                }
123        }
124
125        int get_state(actions action)
126        {
127                switch(action)
128                {
129                        case MERGE:
130                                return merge_state;                     
131                        break;
132                        case SPLIT:
133                                return split_state;
134                        break;
135                }
136        }
137
138        int number_of_children()
139        {
140                return children.size();
141        }
142
143       
144};
145
146/// A class for representing 0-dimensional polyhedron - a vertex. It will be located in the bottom row of the Hasse
147/// diagram representing a complex of polyhedrons. It has its coordinates in the parameter space.
148class vertex : public polyhedron
149{
150        /// A dynamic array representing coordinates of the vertex
151        vec coordinates;       
152
153       
154
155public:
156
157
158
159        /// Default constructor
160        vertex();
161
162        /// Constructor of a vertex from a set of coordinates
163        vertex(vec coordinates)
164        {
165                this->coordinates = coordinates;
166        }
167
168        /// A method that widens the set of coordinates of given vertex. It is used when a complex in a parameter
169        /// space of certain dimension is established, but the dimension is not known when the vertex is created.
170        void push_coordinate(double coordinate)
171        {
172                coordinates = concat(coordinates,coordinate);
173        }
174
175        /// A method obtaining the set of coordinates of a vertex. These coordinates are not obtained as a pointer
176        /// (not given by reference), but a new copy is created (they are given by value).
177        vec get_coordinates()
178        {               
179                return coordinates;
180        }
181
182               
183};
184
185/// A class representing a polyhedron in a top row of the complex. Such polyhedron has a condition that differitiates
186/// it from polyhedrons in other rows.
187class toprow : public polyhedron
188{
189       
190public:
191        /// A condition used for determining the function of a Laplace-Inverse-Gamma density resulting from Bayesian estimation
192        vec condition;
193
194        /// Default constructor
195        toprow();
196
197        /// Constructor creating a toprow from the condition
198        toprow(vec condition)
199        {
200                this->condition = condition;
201        }
202
203};
204
205class condition
206{       
207public:
208        vec value;     
209
210        int multiplicity;
211
212        condition(vec value)
213        {
214                this->value = value;
215                multiplicity = 1;
216        }
217};
218
219
220//! Conditional(e) Multicriteria-Laplace-Inverse-Gamma distribution density
221class emlig // : eEF
222{
223
224        /// A statistic in a form of a Hasse diagram representing a complex of convex polyhedrons obtained as a result
225        /// of data update from Bayesian estimation or set by the user if this emlig is a prior density
226        vector<vector<polyhedron*>> statistic;
227
228        vector<vector<polyhedron*>> for_splitting;
229               
230        vector<vector<polyhedron*>> for_merging;
231
232        vector<condition*> conditions;
233
234        double normalization_factor;
235
236        void alter_toprow_conditions(vec condition, bool should_be_added)
237        {
238                for(vector<polyhedron*>::iterator horiz_ref = statistic[statistic.size()-1].begin();horiz_ref<statistic[statistic.size()-1].end();horiz_ref++)
239                {
240                        double product = 0;
241
242                        vector<vertex*>::iterator vertex_ref = (*horiz_ref)->vertices.begin();
243
244                        do
245                        {
246                                product = (*vertex_ref)->get_coordinates()*condition;
247                        }
248                        while(product == 0);
249
250                        if((product>0 && should_be_added)||(product<0 && !should_be_added))
251                        {
252                                ((toprow*) (*horiz_ref))->condition += condition;
253                        }
254                        else
255                        {
256                                ((toprow*) (*horiz_ref))->condition -= condition;
257                        }                                                       
258                }
259        }
260
261
262        void send_state_message(polyhedron* sender, bool shouldsplit, bool shouldmerge, int level)
263        {
264                if(shouldsplit||shouldmerge)
265                {
266                        for(vector<polyhedron*>::iterator parent_iterator = sender->parents.begin();parent_iterator<sender->parents.end();parent_iterator++)
267                        {
268                                polyhedron* current_parent = *parent_iterator;
269
270                                current_parent->message_counter++;
271
272                                bool is_last = (current_parent->message_counter == current_parent->number_of_children());
273
274                                if(shouldmerge)
275                                {
276                                        int child_state  = sender->get_state(MERGE);
277                                        int parent_state = current_parent->get_state(MERGE);
278
279                                        if(parent_state == 0)
280                                        {
281                                                current_parent->set_state(child_state, MERGE);
282
283                                                if(child_state == 0)
284                                                {
285                                                        current_parent->mergechildren.push_back(sender);
286                                                }
287                                        }
288                                        else
289                                        {
290                                                if(child_state == 0)
291                                                {
292                                                        if(parent_state > 0)
293                                                        {
294                                                                sender->positiveparent = current_parent;
295                                                        }
296                                                        else
297                                                        {
298                                                                sender->negativeparent = current_parent;
299                                                        }
300                                                }
301                                        }
302
303                                        if(is_last)
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)->positiveparent = current_parent;
310                                                        }
311                                                }
312
313                                                if(parent_state < 0)
314                                                {
315                                                        for(vector<polyhedron*>::iterator merge_child = current_parent->mergechildren.begin(); merge_child < current_parent->mergechildren.end();merge_child++)
316                                                        {
317                                                                (*merge_child)->negativeparent = current_parent;
318                                                        }
319                                                }
320
321                                                if(parent_state == 0)
322                                                {
323                                                        for_merging[level+1].push_back(current_parent);
324                                                }
325
326                                                current_parent->mergechildren.clear();
327                                        }
328
329                                       
330                                }
331
332                                if(shouldsplit)
333                                        {
334                                                switch(sender->get_state(SPLIT))
335                                                {
336                                                case 1:
337                                                        current_parent->positivechildren.push_back(sender);     
338                                                break;
339                                                case 0:
340                                                        current_parent->neutralchildren.push_back(sender);
341
342                                                        if(current_parent->totally_neutral == NULL)
343                                                        {
344                                                                current_parent->totally_neutral = sender->totally_neutral;
345                                                        }
346                                                        else
347                                                        {
348                                                                current_parent->totally_neutral = current_parent->totally_neutral && sender->totally_neutral;
349                                                        }
350                                                       
351                                                break;
352                                                case -1:
353                                                        current_parent->negativechildren.push_back(sender);
354                                                break;
355                                                }
356
357                                                if(is_last)
358                                                {
359                                                        if((current_parent->negativechildren.size()>0&&current_parent->positivechildren.size()>0)||
360                                                                                                                (current_parent->neutralchildren.size()>0&&current_parent->totally_neutral==false))
361                                                        {                                                               
362                                                               
363                                                                        for_splitting[level+1].push_back(current_parent);
364                                                               
365                                                                        current_parent->set_state(0, SPLIT);
366                                                        }
367                                                        else if(current_parent->negativechildren.size()>0)
368                                                        {
369                                                                current_parent->set_state(-1, SPLIT);
370
371                                                                current_parent->negativechildren.clear();
372                                                                current_parent->neutralchildren.clear();
373                                                               
374                                                        }
375                                                        else if(current_parent->positivechildren.size()>0)
376                                                        {
377                                                                current_parent->set_state(1, SPLIT);
378
379                                                                current_parent->positivechildren.clear();
380                                                                current_parent->neutralchildren.clear();
381                                                        }
382                                                        else
383                                                        {
384                                                                current_parent->raise_multiplicity();
385
386                                                                current_parent->neutralchildren.clear();
387                                                        }
388                                                }
389                                        }
390
391                                        if(is_last)
392                                        {
393                                                send_state_message(current_parent,shouldsplit,shouldmerge,level+1);
394                                        }
395                       
396                        }
397                       
398                }               
399        }
400       
401public: 
402
403        /// A default constructor creates an emlig with predefined statistic representing only the range of the given
404        /// parametric space, where the number of parameters of the needed model is given as a parameter to the constructor.
405        emlig(int number_of_parameters)
406        {
407                create_statistic(number_of_parameters);
408
409                for(int i = 0;i<statistic.size();i++)
410                {
411                        vector<polyhedron*> empty_split;
412                        vector<polyhedron*> empty_merge;
413
414                        for_splitting.push_back(empty_split);
415                        for_merging.push_back(empty_merge);
416                }
417        }
418
419        /// A constructor for creating an emlig when the user wants to create the statistic by himself. The creation of a
420        /// statistic is needed outside the constructor. Used for a user defined prior distribution on the parameters.
421        emlig(vector<vector<polyhedron*>> statistic)
422        {
423                this->statistic = statistic;
424        }
425
426        void add_condition(vec toadd)
427        {
428                vec null_vector = "";
429
430                add_and_remove_condition(toadd, null_vector);
431        }
432
433        void remove_condition(vec toremove)
434        {
435                vec null_vector = "";
436
437                add_and_remove_condition(null_vector, toremove);
438       
439        }
440
441        void add_and_remove_condition(vec toadd, vec toremove)
442        {
443                bool should_remove = (toremove.size() != 0);
444                bool should_add    = (toadd.size() != 0);
445
446                vector<condition*>::iterator toremove_ref = conditions.end();
447                bool condition_should_be_added = false;
448
449                for(vector<condition*>::iterator ref = conditions.begin();ref<conditions.end();ref++)
450                {
451                        if(should_remove)
452                        {
453                                if((*ref)->value == toremove)
454                                {
455                                        if((*ref)->multiplicity>1)
456                                        {
457                                                (*ref)->multiplicity--;
458
459                                                alter_toprow_conditions(toremove,false);
460
461                                                should_remove = false;
462                                        }
463                                        else
464                                        {
465                                                toremove_ref = ref;                                                     
466                                        }
467                                }
468                        }
469
470                        if(should_add)
471                        {
472                                if((*ref)->value == toadd)
473                                {
474                                        (*ref)->multiplicity++;
475
476                                        alter_toprow_conditions(toadd,true);
477
478                                        should_add = false;
479                                }
480                                else
481                                {
482                                        condition_should_be_added = true;
483                                }
484                        }
485                }
486
487                if(toremove_ref!=conditions.end())
488                {
489                        conditions.erase(toremove_ref);
490                }
491
492                if(condition_should_be_added)
493                {
494                        conditions.push_back(new condition(toadd));
495                }
496
497               
498
499                for(vector<polyhedron*>::iterator horizontal_position = statistic[0].begin();horizontal_position<statistic[0].end();horizontal_position++)
500                {               
501                        vertex* current_vertex = (vertex*)(*horizontal_position);
502                       
503                        if(should_add||should_remove)
504                        {
505                                vec appended_vec = current_vertex->get_coordinates();
506                                appended_vec.ins(0,1.0);
507
508                                if(should_add)
509                                {
510                                        current_vertex->set_state(toadd*appended_vec,SPLIT);
511                                }
512                       
513                                if(should_remove)
514                                {
515                                        current_vertex->set_state(toremove*current_vertex->get_coordinates(),MERGE);
516                                }
517
518                                if(current_vertex->get_state(MERGE) == 0)
519                                {
520                                        for_merging[0].push_back(current_vertex);
521                                }
522                        }
523
524                        send_state_message(current_vertex, should_add, should_remove, 0);                       
525                }
526
527                for(vector<vector<polyhedron*>>::iterator vert_ref = for_splitting.begin();vert_ref<for_splitting.end();vert_ref++)
528                {
529                        int original_size = (*vert_ref).size();
530
531                        for(int split_counter = 0;split_counter<original_size;split_counter++)
532                        {
533                                polyhedron* current_polyhedron = (*vert_ref)[original_size-1-split_counter];
534
535
536                        }
537                }
538
539
540        }
541
542protected:
543
544        /// A method for creating plain default statistic representing only the range of the parameter space.
545    void create_statistic(int number_of_parameters)
546        {
547                // An empty vector of coordinates.
548                vec origin_coord;       
549
550                // We create an origin - this point will have all the coordinates zero, but now it has an empty vector of coords.
551                vertex *origin = new vertex(origin_coord);
552
553                // It has itself as a vertex. There will be a nice use for this when the vertices of its parents are searched in
554                // the recursive creation procedure below.
555                origin->vertices.push_back(origin);
556
557                // As a statistic, we have to create a vector of vectors of polyhedron pointers. It will then represent the Hasse
558                // diagram. First we create a vector of polyhedrons..
559                vector<polyhedron*> origin_vec;
560
561                // ..we fill it with the origin..
562                origin_vec.push_back(origin);
563
564                // ..and we fill the statistic with the created vector.
565                statistic.push_back(origin_vec);
566
567                // Now we have a statistic for a zero dimensional space. Regarding to how many dimensional space we need to
568                // describe, we have to widen the descriptional default statistic. We use an iterative procedure as follows:
569                for(int i=0;i<number_of_parameters;i++)
570                {
571                        // We first will create two new vertices. These will be the borders of the parameter space in the dimension
572                        // of newly added parameter. Therefore they will have all coordinates except the last one zero. We get the
573                        // right amount of zero cooridnates by reading them from the origin
574                        vec origin_coord = origin->get_coordinates();                                           
575
576                        // And we incorporate the nonzero coordinates into the new cooordinate vectors
577                        vec origin_coord1 = concat(origin_coord,max_range);
578                        vec origin_coord2 = concat(origin_coord,-max_range);
579
580                        // Now we create the points
581                        vertex *new_point1 = new vertex(origin_coord1);
582                        vertex *new_point2 = new vertex(origin_coord2);
583                       
584                        //*********************************************************************************************************
585                        // The algorithm for recursive build of a new Hasse diagram representing the space structure from the old
586                        // diagram works so that you create two copies of the old Hasse diagram, you shift them up one level (points
587                        // will be segments, segments will be areas etc.) and you connect each one of the original copied polyhedrons
588                        // with its offspring by a parent-child relation. Also each of the segments in the first (second) copy is
589                        // connected to the first (second) newly created vertex by a parent-child relation.
590                        //*********************************************************************************************************
591
592
593                        // Create the vectors of vectors of pointers to polyhedrons to hold the copies of the old Hasse diagram
594                        vector<vector<polyhedron*>> new_statistic1;
595                        vector<vector<polyhedron*>> new_statistic2;
596
597                        // Copy the statistic by rows
598                        for(int j=0;j<statistic.size();j++)
599                        {
600                                // an element counter
601                                int element_number = 0;
602
603                                vector<polyhedron*> supportnew_1;
604                                vector<polyhedron*> supportnew_2;
605
606                                new_statistic1.push_back(supportnew_1);
607                                new_statistic2.push_back(supportnew_2);
608
609                                // for each polyhedron in the given row
610                                for(vector<polyhedron*>::iterator horiz_ref = statistic[j].begin();horiz_ref<statistic[j].end();horiz_ref++)
611                                {       
612                                        // Append an extra zero coordinate to each of the vertices for the new dimension
613                                        // If j==0 => we loop through vertices
614                                        if(j == 0)
615                                        {
616                                                // cast the polyhedron pointer to a vertex pointer and push a zero to its vector of coordinates
617                                                ((vertex*) (*horiz_ref))->push_coordinate(0);
618                                        }
619
620                                        // if it has parents
621                                        if(!(*horiz_ref)->parents.empty())
622                                        {
623                                                // save the relative address of this child in a vector kids_rel_addresses of all its parents.
624                                                // This information will later be used for copying the whole Hasse diagram with each of the
625                                                // relations contained within.
626                                                for(vector<polyhedron*>::iterator parent_ref = (*horiz_ref)->parents.begin();parent_ref < (*horiz_ref)->parents.end();parent_ref++)
627                                                {
628                                                        (*parent_ref)->kids_rel_addresses.push_back(element_number);                                                   
629                                                }                                               
630                                        }
631
632                                        // **************************************************************************************************
633                                        // Here we begin creating a new polyhedron, which will be a copy of the old one. Each such polyhedron
634                                        // will be created as a toprow, but this information will be later forgotten and only the polyhedrons
635                                        // in the top row of the Hasse diagram will be considered toprow for later use.
636                                        // **************************************************************************************************
637
638                                        // First we create vectors specifying a toprow condition. In the case of a preconstructed statistic
639                                        // this condition will be a vector of zeros. There are two vectors, because we need two copies of
640                                        // the original Hasse diagram.
641                                        vec vec1(i+2);
642                                        vec1.zeros();
643
644                                        vec vec2(i+2);
645                                        vec2.zeros();
646
647                                        // We create a new toprow with the previously specified condition.
648                                        toprow *current_copy1 = new toprow(vec1);
649                                        toprow *current_copy2 = new toprow(vec2);                                       
650
651                                        // The vertices of the copies will be inherited, because there will be a parent/child relation
652                                        // between each polyhedron and its offspring (comming from the copy) and a parent has all the
653                                        // vertices of its child plus more.
654                                        for(vector<vertex*>::iterator vert_ref = (*horiz_ref)->vertices.begin();vert_ref<(*horiz_ref)->vertices.end();vert_ref++)
655                                        {
656                                                current_copy1->vertices.push_back(*vert_ref);
657                                                current_copy2->vertices.push_back(*vert_ref);                                           
658                                        }
659                                       
660                                        // The only new vertex of the offspring should be the newly created point.
661                                        current_copy1->vertices.push_back(new_point1);
662                                        current_copy2->vertices.push_back(new_point2);
663                                       
664                                        // This method guarantees that each polyhedron is already triangulated, therefore its triangulation
665                                        // is only one set of vertices and it is the set of all its vertices.
666                                        current_copy1->triangulations.push_back(current_copy1->vertices);
667                                        current_copy2->triangulations.push_back(current_copy2->vertices);
668                                       
669                                        // Now we have copied the polyhedron and we have to copy all of its relations. Because we are copying
670                                        // in the Hasse diagram from bottom up, we always have to copy the parent/child relations to all the
671                                        // kids and when we do that and know the child, in the child we will remember the parent we came from.
672                                        // This way all the parents/children relations are saved in both the parent and the child.
673                                        if(!(*horiz_ref)->kids_rel_addresses.empty())
674                                        {
675                                                for(vector<int>::iterator kid_ref = (*horiz_ref)->kids_rel_addresses.begin();kid_ref<(*horiz_ref)->kids_rel_addresses.end();kid_ref++)
676                                                {       
677                                                        // find the child and save the relation to the parent
678                                                        current_copy1->children.push_back(new_statistic1[j-1][(*kid_ref)]);
679                                                        current_copy2->children.push_back(new_statistic2[j-1][(*kid_ref)]);
680
681                                                        // in the child save the parents' address
682                                                        new_statistic1[j-1][(*kid_ref)]->parents.push_back(current_copy1);
683                                                        new_statistic2[j-1][(*kid_ref)]->parents.push_back(current_copy2);
684                                                }                                               
685
686                                                // Here we clear the parents kids_rel_addresses vector for later use (when we need to widen the
687                                                // Hasse diagram again)
688                                                (*horiz_ref)->kids_rel_addresses.clear();
689                                        }
690                                        // If there were no children previously, we are copying a polyhedron that has been a vertex before.
691                                        // In this case it is a segment now and it will have a relation to its mother (copywise) and to the
692                                        // newly created point. Here we create the connection to the new point, again from both sides.
693                                        else
694                                        {
695                                                // Add the address of the new point in the former vertex
696                                                current_copy1->children.push_back(new_point1);
697                                                current_copy2->children.push_back(new_point2);
698
699                                                // Add the address of the former vertex in the new point
700                                                new_point1->parents.push_back(current_copy1);
701                                                new_point2->parents.push_back(current_copy2);
702                                        }
703
704                                        // Save the mother in its offspring
705                                        current_copy1->children.push_back(*horiz_ref);
706                                        current_copy2->children.push_back(*horiz_ref);
707
708                                        // Save the offspring in its mother
709                                        (*horiz_ref)->parents.push_back(current_copy1);
710                                        (*horiz_ref)->parents.push_back(current_copy2); 
711                                                               
712                                       
713                                        // Add the copies into the relevant statistic. The statistic will later be appended to the previous
714                                        // Hasse diagram
715                                        new_statistic1[j].push_back(current_copy1);
716                                        new_statistic2[j].push_back(current_copy2);
717                                       
718                                        // Raise the count in the vector of polyhedrons
719                                        element_number++;
720                                       
721                                }                               
722                        }
723
724                        statistic[0].push_back(new_point1);
725                        statistic[0].push_back(new_point2);
726
727                        // Merge the new statistics into the old one. This will either be the final statistic or we will
728                        // reenter the widening loop.
729                        for(int j=0;j<new_statistic1.size();j++)
730                        {
731                                if(j+1==statistic.size())
732                                {
733                                        vector<polyhedron*> support;
734                                        statistic.push_back(support);
735                                }
736                               
737                                statistic[j+1].insert(statistic[j+1].end(),new_statistic1[j].begin(),new_statistic1[j].end());
738                                statistic[j+1].insert(statistic[j+1].end(),new_statistic2[j].begin(),new_statistic2[j].end());
739                        }
740                }
741        }
742
743
744       
745       
746};
747
748/*
749
750//! Robust Bayesian AR model for Multicriteria-Laplace-Inverse-Gamma density
751class RARX : public BM
752{
753private:
754
755        emlig posterior;
756
757public:
758        RARX():BM()
759        {
760        };
761
762        void bayes(const itpp::vec &yt, const itpp::vec &cond = empty_vec)
763        {
764               
765        }
766
767};*/
768
769
770
771#endif //TRAGE_H
Note: See TracBrowser for help on using the browser.