root/library/bdm/base/bdmbase.h @ 610

Revision 610, 33.7 kB (checked in by smidl, 15 years ago)

rv returns name of a scalar at prespecified position

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
1/*!
2  \file
3  \brief Basic structures of probability calculus: random variables, probability densities, Bayes rule
4  \author Vaclav Smidl.
5
6  -----------------------------------
7  BDM++ - C++ library for Bayesian Decision Making under Uncertainty
8
9  Using IT++ for numerical operations
10  -----------------------------------
11*/
12
13#ifndef BDMBASE_H
14#define BDMBASE_H
15
16#include <map>
17
18#include "../itpp_ext.h"
19#include "../bdmroot.h"
20#include "../shared_ptr.h"
21#include "user_info.h"
22
23using namespace libconfig;
24using namespace itpp;
25using namespace std;
26
27namespace bdm {
28//! Structure of RV, i.e. RVs expanded into a flat list of IDs, used for debugging.
29class str {
30public:
31        //! vector id ids (non-unique!)
32        ivec ids;
33        //! vector of times
34        ivec times;
35        //!Default constructor
36        str ( ivec ids0, ivec times0 ) : ids ( ids0 ), times ( times0 ) {
37                bdm_assert_debug ( times0.length() == ids0.length(), "Incompatible input" );
38        };
39};
40
41/*!
42* \brief Class representing variables, most often random variables
43
44The purpose of this class is to decribe a vector of data. Such description is used for connecting various vectors between each other, see class datalink.
45
46The class is implemented using global variables to assure uniqueness of description:
47
48 In is a vector
49\dot
50digraph datalink {
51rankdir=LR;
52subgraph cluster0 {
53node [shape=record];
54label = "MAP \n std::map<string,int>";
55map [label="{{\"a\"| \"b\" | \"c\"} | {<3> 3 |<1> 1|<2> 2}}"];
56color = "white"
57}
58subgraph cluster1{
59node [shape=record];
60label = "NAMES";
61names [label="{<1> \"b\" | <2> \"c\" | <3>\"a\" }"];
62color = "white"
63}
64subgraph cluster2{
65node [shape=record];
66label = "SIZES";
67labelloc = b;
68sizes [label="{<1>1 |<2> 4 |<3> 1}"];
69color = "white"
70}
71map:1 -> names:1;
72map:1 -> sizes:1;
73map:3 -> names:3;
74map:3 -> sizes:3;
75}
76\enddot
77*/
78
79class RV : public root {
80private:
81        typedef std::map<string, int> str2int_map;
82
83        //! Internal global variable storing sizes of RVs
84        static ivec SIZES;
85        //! Internal global variable storing names of RVs
86        static Array<string> NAMES;
87
88        //! TODO
89        const static int BUFFER_STEP;
90
91        //! TODO
92        static str2int_map MAP;
93
94public:
95
96protected:
97        //! size of the data vector
98        int dsize;
99        //! number of individual rvs
100        int len;
101        //! Vector of unique IDs
102        ivec ids;
103        //! Vector of shifts from current time
104        ivec times;
105
106private:
107        enum enum_dummy {dummy};
108
109        //! auxiliary function used in constructor
110        void init ( const Array<std::string> &in_names, const ivec &in_sizes, const ivec &in_times );
111        int init ( const string &name, int size );
112        //! Private constructor from IDs, potentially dangerous since all ids must be valid!
113        //! dummy is there to prevent confusion with RV(" string");
114        explicit RV ( const ivec &ids0, enum_dummy dum ) : dsize ( 0 ), len ( ids0.length() ), ids ( ids0 ), times ( zeros_i ( ids0.length() ) ) {
115                dsize = countsize();
116        }
117public:
118        //! \name Constructors
119        //!@{
120
121        //! Full constructor
122        RV ( const Array<std::string> &in_names, const ivec &in_sizes, const ivec &in_times ) {
123                init ( in_names, in_sizes, in_times );
124        }
125
126        //! Constructor with times=0
127        RV ( const Array<std::string> &in_names, const ivec &in_sizes ) {
128                init ( in_names, in_sizes, zeros_i ( in_names.length() ) );
129        }
130
131        //! Constructor with sizes=1, times=0
132        RV ( const Array<std::string> &in_names ) {
133                init ( in_names, ones_i ( in_names.length() ), zeros_i ( in_names.length() ) );
134        }
135
136        //! Constructor of empty RV
137        RV() : dsize ( 0 ), len ( 0 ), ids ( 0 ), times ( 0 ) {}
138
139        //! Constructor of a single RV with given id
140        RV ( string name, int sz, int tm = 0 );
141
142        // compiler-generated copy constructor is used
143        //!@}
144
145        //! \name Access functions
146        //!@{
147
148        //! State output, e.g. for debugging.
149        friend std::ostream &operator<< ( std::ostream &os, const RV &rv );
150
151        string to_string() {ostringstream o; o << this; return o.str();}
152       
153        //! total size of a random variable
154        int _dsize() const {
155                return dsize;
156        }
157
158        //! access function
159        const ivec& _ids() const {
160                return ids;
161        }
162
163        //! Recount size of the corresponding data vector
164        int countsize() const;
165        //! Vector of cumulative sizes of RV
166        ivec cumsizes() const;
167        //! Number of named parts
168        int length() const {
169                return len;
170        }
171        int id ( int at ) const {
172                return ids ( at );
173        }
174        int size ( int at ) const {
175                return SIZES ( ids ( at ) );
176        }
177        int time ( int at ) const {
178                return times ( at );
179        }
180        std::string name ( int at ) const {
181                return NAMES ( ids ( at ) );
182        }
183        //! returns name of a scalar at position scalat, i.e. it can be in the middle of vector name, in that case it adds "_%d" to it
184        std::string scalarname ( int scalat ) const {
185                bdm_assert_debug(scalat<dsize,"Wrong input index");
186                int id=0;
187                int scalid=0;
188                while (scalid+SIZES(ids(id))<=scalat)  { scalid+=SIZES(ids(id)); id++;};
189                //now id is the id of variable of interest
190                if (size(id)==1)
191                        return  NAMES ( ids ( id ) );
192                else
193                        return  NAMES ( ids ( id ) )+ "_" + num2str(scalat-scalid);
194
195        }
196        void set_time ( int at, int time0 ) {
197                times ( at ) = time0;
198        }
199        //!@}
200
201        //! \name Algebra on Random Variables
202        //!@{
203
204        //! Find indices of self in another rv, \return ivec of the same size as self.
205        ivec findself ( const RV &rv2 ) const;
206        //! Find indices of self in another rv, ignore time, \return ivec of the same size as self.
207        ivec findself_ids ( const RV &rv2 ) const;
208        //! Compare if \c rv2 is identical to this \c RV
209        bool equal ( const RV &rv2 ) const;
210        //! Add (concat) another variable to the current one, \return true if all rv2 were added, false if rv2 is in conflict
211        bool add ( const RV &rv2 );
212        //! Subtract  another variable from the current one
213        RV subt ( const RV &rv2 ) const;
214        //! Select only variables at indices ind
215        RV subselect ( const ivec &ind ) const;
216
217        //! Select only variables at indices ind
218        RV operator() ( const ivec &ind ) const {
219                return subselect ( ind );
220        }
221
222        //! Select from data vector starting at di1 to di2
223        RV operator() ( int di1, int di2 ) const;
224
225        //! Shift \c time by delta.
226        void t_plus ( int delta );
227        //!@}
228
229        //! @{ \name Time manipulation functions
230        //! returns rvs with time set to 0 and removed duplicates
231        RV remove_time() const {
232                return RV ( unique ( ids ), dummy );
233        }
234        //! create new RV from the current one with time shifted by given value
235        RV copy_t(int dt) const {
236                RV tmp=*this;
237                tmp.t_plus(dt);
238                return tmp;
239        }
240        //! return rvs with expanded delayes and sorted in the order of: \f$ [ rv_{0}, rv_{-1}, rv_{
241        RV expand_delayes() const {
242                RV rvt = this->remove_time(); //rv at t=0
243                RV tmp = rvt;
244                int td = mint();
245                for ( int i = -1; i >= td; i-- ) {
246                        rvt.t_plus ( -1 );
247                        tmp.add ( rvt ); //shift u1
248                }
249                return tmp;
250        }
251        //!@}
252
253        //!\name Relation to vectors
254        //!@{
255
256        //! generate \c str from rv, by expanding sizes
257        str tostr() const;
258        //! when this rv is a part of bigger rv, this function returns indices of self in the data vector of the bigger crv.
259        //! Then, data can be copied via: data_of_this = cdata(ind);
260        ivec dataind ( const RV &crv ) const;
261        //! same as dataind but this time crv should not be complete supperset of rv.
262        ivec dataind_part ( const RV &crv ) const;
263        //! generate mutual indices when copying data between self and crv.
264        //! Data are copied via: data_of_this(selfi) = data_of_rv2(rv2i)
265        void dataind ( const RV &rv2, ivec &selfi, ivec &rv2i ) const;
266        //! Minimum time-offset
267        int mint() const {
268                        return times.length()>0 ? min (times) : 0;
269        }
270        //!@}
271
272        /*! \brief UI for class RV (description of data vectors)
273
274        \code
275        rv = {
276            class = "RV"; // class name
277          // UNIQUE IDENTIFIER same names = same variable
278          names = ( "a", "b", "c", ...);   // which will be used e.g. in loggers
279
280          //optional arguments
281          sizes = [1, 2, 3, ...];         // (optional) default = ones()
282          times = [-1, -2, 0, ...];       // time shifts with respect to current time (optional) default = zeros()
283        }
284        \endcode
285        */
286        void from_setting ( const Setting &set );
287
288        // TODO dodelat void to_setting( Setting &set ) const;
289
290        //! Invalidate all named RVs. Use before initializing any RV instances, with care...
291        static void clear_all();
292        //! function for debugging RV related stuff
293        string show_all();
294
295};
296UIREGISTER ( RV );
297SHAREDPTR ( RV );
298
299//! Concat two random variables
300RV concat ( const RV &rv1, const RV &rv2 );
301
302//! Class representing function \f$f(x)\f$ of variable \f$x\f$ represented by \c rv
303class fnc : public root {
304protected:
305        //! Length of the output vector
306        int dimy;
307public:
308        //!default constructor
309        fnc() {};
310        //! function evaluates numerical value of \f$f(x)\f$ at \f$x=\f$ \c cond
311        virtual vec eval ( const vec &cond ) {
312                return vec ( 0 );
313        };
314
315        //! function substitutes given value into an appropriate position
316        virtual void condition ( const vec &val ) {};
317
318        //! access function
319        int dimension() const {
320                return dimy;
321        }
322};
323
324class mpdf;
325
326//! Probability density function with numerical statistics, e.g. posterior density.
327
328class epdf : public root {
329protected:
330        //! dimension of the random variable
331        int dim;
332        //! Description of the random variable
333        RV rv;
334
335public:
336        /*! \name Constructors
337         Construction of each epdf should support two types of constructors:
338        \li empty constructor,
339        \li copy constructor,
340
341        The following constructors should be supported for convenience:
342        \li constructor followed by calling \c set_parameters()
343        \li constructor accepting random variables calling \c set_rv()
344
345         All internal data structures are constructed as empty. Their values (including sizes) will be set by method \c set_parameters(). This way references can be initialized in constructors.
346        @{*/
347        epdf() : dim ( 0 ), rv() {};
348        epdf ( const epdf &e ) : dim ( e.dim ), rv ( e.rv ) {};
349        epdf ( const RV &rv0 ) : dim ( rv0._dsize() ) {
350                set_rv ( rv0 );
351        };
352        void set_parameters ( int dim0 ) {
353                dim = dim0;
354        }
355        //!@}
356
357        //! \name Matematical Operations
358        //!@{
359
360        //! Returns a sample, \f$ x \f$ from density \f$ f_x()\f$
361        virtual vec sample() const {
362                bdm_error ( "not implemented" );
363                return vec();
364        }
365
366        //! Returns N samples, \f$ [x_1 , x_2 , \ldots \ \f$  from density \f$ f_x(rv)\f$
367        virtual mat sample_m ( int N ) const;
368
369        //! Compute log-probability of argument \c val
370        //! In case the argument is out of suport return -Infinity
371        virtual double evallog ( const vec &val ) const {
372                bdm_error ( "not implemented" );
373                return 0.0;
374        }
375
376        //! Compute log-probability of multiple values argument \c val
377        virtual vec evallog_m ( const mat &Val ) const;
378
379        //! Compute log-probability of multiple values argument \c val
380        virtual vec evallog_m ( const Array<vec> &Avec ) const;
381
382        //! Return conditional density on the given RV, the remaining rvs will be in conditioning
383        virtual shared_ptr<mpdf> condition ( const RV &rv ) const;
384
385        //! Return marginal density on the given RV, the remainig rvs are intergrated out
386        virtual shared_ptr<epdf> marginal ( const RV &rv ) const;
387
388        //! return expected value
389        virtual vec mean() const {
390                bdm_error ( "not implemneted" );
391                return vec();
392        }
393
394        //! return expected variance (not covariance!)
395        virtual vec variance() const {
396                bdm_error ( "not implemneted" );
397                return vec();
398        }
399
400        //! Lower and upper bounds of \c percentage % quantile, returns mean-2*sigma as default
401        virtual void qbounds ( vec &lb, vec &ub, double percentage = 0.95 ) const {
402                vec mea = mean();
403                vec std = sqrt ( variance() );
404                lb = mea - 2 * std;
405                ub = mea + 2 * std;
406        };
407        //!@}
408
409        //! \name Connection to other classes
410        //! Description of the random quantity via attribute \c rv is optional.
411        //! For operations such as sampling \c rv does not need to be set. However, for \c marginalization
412        //! and \c conditioning \c rv has to be set. NB:
413        //! @{
414
415        //!Name its rv
416        void set_rv ( const RV &rv0 ) {
417                rv = rv0;
418        }
419
420        //! True if rv is assigned
421        bool isnamed() const {
422                bool b = ( dim == rv._dsize() );
423                return b;
424        }
425
426        //! Return name (fails when isnamed is false)
427        const RV& _rv() const {
428                bdm_assert_debug ( isnamed(), "" );
429                return rv;
430        }
431        //!@}
432
433        //! \name Access to attributes
434        //! @{
435
436        //! Size of the random variable
437        int dimension() const {
438                return dim;
439        }
440        //! Load from structure with elements:
441        //!  \code
442        //! { rv = {class="RV", names=(...),}; // RV describing meaning of random variable
443        //!   // elements of offsprings
444        //! }
445        //! \endcode
446        //!@}
447        void from_setting ( const Setting &set ) {
448                shared_ptr<RV> r = UI::build<RV> ( set, "rv", UI::optional );
449                if ( r ) {
450                        set_rv ( *r );
451                }
452        }
453
454};
455SHAREDPTR ( epdf );
456
457//! Conditional probability density, e.g. modeling \f$ f( x | y) \f$, where \f$ x \f$ is random variable, \c rv, and \f$ y \f$ is conditioning variable, \c rvc.
458class mpdf : public root {
459protected:
460        //!dimension of the condition
461        int dimc;
462        //! random variable in condition
463        RV rvc;
464private:
465        //! internal epdf, used only as cache to avoid virtual calls of \c _rv() and \c _dimension()
466        epdf* ep;
467
468protected:
469        //! set internal pointer \c ep to point to given \c iepdf
470        void set_ep ( epdf &iepdf ) {
471                ep = &iepdf;
472        }
473        //! set internal pointer \c ep to point to given \c iepdf
474        void set_ep ( epdf *iepdfp ) {
475                ep = iepdfp;
476        }
477
478public:
479        //! \name Constructors
480        //! @{
481
482        mpdf() : dimc ( 0 ), rvc(), ep ( NULL ) { }
483
484        mpdf ( const mpdf &m ) : dimc ( m.dimc ), rvc ( m.rvc ), ep ( m.ep ) { }
485        //!@}
486
487        //! \name Matematical operations
488        //!@{
489
490        //! Returns a sample from the density conditioned on \c cond, \f$x \sim epdf(rv|cond)\f$. \param cond is numeric value of \c rv
491        virtual vec samplecond ( const vec &cond ) {
492                bdm_error ( "Not implemented" );
493                return vec();
494        }
495
496        //! Returns \param N samples from the density conditioned on \c cond, \f$x \sim epdf(rv|cond)\f$. \param cond is numeric value of \c rv
497        virtual mat samplecond_m ( const vec &cond, int N );
498
499        //! Shortcut for conditioning and evaluation of the internal epdf. In some cases,  this operation can be implemented efficiently.
500        virtual double evallogcond ( const vec &dt, const vec &cond ) {
501                bdm_error ( "Not implemented" );
502                return 0.0;
503        }
504
505        //! Matrix version of evallogcond
506        virtual vec evallogcond_m ( const mat &Dt, const vec &cond ) {
507                vec v ( Dt.cols() );
508                for ( int i = 0; i < Dt.cols(); i++ ) {
509                        v ( i ) = evallogcond ( Dt.get_col ( i ), cond );
510                }
511                return v;
512        }
513
514        //! Array<vec> version of evallogcond
515        virtual vec evallogcond_m ( const Array<vec> &Dt, const vec &cond ) {
516                bdm_error ( "Not implemented" );
517                return vec();
518        }
519
520        //! \name Access to attributes
521        //! @{
522
523        const RV& _rv() const {
524                return ep->_rv();
525        }
526        const RV& _rvc() const {
527                return rvc;
528        }
529
530        int dimension() const {
531                return ep->dimension();
532        }
533        int dimensionc() {
534                return dimc;
535        }
536
537        //! Load from structure with elements:
538        //!  \code
539        //! { class = "mpdf_offspring",
540        //!   rv = {class="RV", names=(...),}; // RV describing meaning of random variable
541        //!   rvc= {class="RV", names=(...),}; // RV describing meaning of random variable in condition
542        //!   // elements of offsprings
543        //! }
544        //! \endcode
545        //!@}
546        void from_setting ( const Setting &set );
547        //!@}
548
549        //! \name Connection to other objects
550        //!@{
551        void set_rvc ( const RV &rvc0 ) {
552                rvc = rvc0;
553        }
554        void set_rv ( const RV &rv0 ) {
555                ep->set_rv ( rv0 );
556        }
557        bool isnamed() {
558                return ( ep->isnamed() ) && ( dimc == rvc._dsize() );
559        }
560        //!@}
561};
562SHAREDPTR ( mpdf );
563
564//! Mpdf with internal epdf that is modified by function \c condition
565template <class EPDF>
566class mpdf_internal: public mpdf {
567protected :
568        //! Internal epdf used for sampling
569        EPDF iepdf;
570public:
571        //! constructor
572        mpdf_internal() : mpdf(), iepdf() {
573                set_ep ( iepdf );
574        }
575
576        //! Update \c iepdf so that it represents this mpdf conditioned on \c rvc = cond
577        //! This function provides convenient reimplementation in offsprings
578        virtual void condition ( const vec &cond ) {
579                bdm_error ( "Not implemented" );
580        }
581
582        //!access function to iepdf
583        EPDF& e() {
584                return iepdf;
585        }
586
587        //! Reimplements samplecond using \c condition()
588        vec samplecond ( const vec &cond );
589        //! Reimplements evallogcond using \c condition()
590        double evallogcond ( const vec &val, const vec &cond );
591        //! Efficient version of evallogcond for matrices
592        virtual vec evallogcond_m ( const mat &Dt, const vec &cond );
593        //! Efficient version of evallogcond for Array<vec>
594        virtual vec evallogcond_m ( const Array<vec> &Dt, const vec &cond );
595        //! Efficient version of samplecond
596        virtual mat samplecond_m ( const vec &cond, int N );
597};
598
599/*! \brief DataLink is a connection between two data vectors Up and Down
600
601Up can be longer than Down. Down must be fully present in Up (TODO optional)
602See chart:
603\dot
604digraph datalink {
605  node [shape=record];
606  subgraph cluster0 {
607    label = "Up";
608      up [label="<1>|<2>|<3>|<4>|<5>"];
609    color = "white"
610}
611  subgraph cluster1{
612    label = "Down";
613    labelloc = b;
614      down [label="<1>|<2>|<3>"];
615    color = "white"
616}
617    up:1 -> down:1;
618    up:3 -> down:2;
619    up:5 -> down:3;
620}
621\enddot
622
623*/
624class datalink {
625protected:
626        //! Remember how long val should be
627        int downsize;
628
629        //! Remember how long val of "Up" should be
630        int upsize;
631
632        //! val-to-val link, indices of the upper val
633        ivec v2v_up;
634
635public:
636        //! Constructor
637        datalink() : downsize ( 0 ), upsize ( 0 ) { }
638
639        //! Convenience constructor
640        datalink ( const RV &rv, const RV &rv_up ) {
641                set_connection ( rv, rv_up );
642        }
643
644        //! set connection, rv must be fully present in rv_up
645        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rv_up );
646
647        //! set connection using indices
648        void set_connection ( int ds, int us, const ivec &upind );
649
650        //! Get val for myself from val of "Up"
651        vec pushdown ( const vec &val_up ) {
652                vec tmp ( downsize );
653                filldown ( val_up, tmp );
654                return tmp;
655        }
656        //! Get val for vector val_down from val of "Up"
657        void filldown ( const vec &val_up, vec &val_down ) {
658                bdm_assert_debug ( upsize == val_up.length(), "Wrong val_up" );
659                val_down = val_up ( v2v_up );
660        }
661        //! Fill val of "Up" by my pieces
662        void pushup ( vec &val_up, const vec &val ) {
663                bdm_assert_debug ( downsize == val.length(), "Wrong val" );
664                bdm_assert_debug ( upsize == val_up.length(), "Wrong val_up" );
665                set_subvector ( val_up, v2v_up, val );
666        }
667        //! access functions
668        int _upsize() {
669                return upsize;
670        }
671        //! access functions
672        int _downsize() {
673                return downsize;
674        }
675};
676
677/*! Extension of datalink to fill only part of Down
678*/
679class datalink_part : public datalink {
680protected:
681        //! indeces of values in vector downsize
682        ivec v2v_down;
683public:
684        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rv_up );
685        //! Get val for vector val_down from val of "Up"
686        void filldown ( const vec &val_up, vec &val_down ) {
687                set_subvector ( val_down, v2v_down, val_up ( v2v_up ) );
688        }
689};
690
691/*! \brief Datalink that buffers delayed values - do not forget to call step()
692
693Up is current data, Down is their subset with possibly delayed values
694*/
695class datalink_buffered: public datalink_part {
696protected:
697        //! History, ordered as \f$[Up_{t-1},Up_{t-2}, \ldots]\f$
698        vec history;
699        //! rv of the history
700        RV Hrv;
701        //! h2v : indeces in down
702        ivec h2v_down;
703        //! h2v : indeces in history
704        ivec h2v_hist;
705        //! v2h: indeces of up too be pushed to h
706        ivec v2h_up;
707public:
708
709        datalink_buffered() : datalink_part(), history ( 0 ), h2v_down ( 0 ), h2v_hist ( 0 ) {};
710        //! push current data to history
711        void step ( const vec &val_up ) {
712                if ( Hrv._dsize() > 0 ) {
713                        history.shift_right ( 0, Hrv._dsize() );
714                  history.set_subvector ( 0, val_up(v2h_up) ); // write U after Drv
715                }
716        }
717        //! Get val for myself from val of "Up"
718        vec pushdown ( const vec &val_up ) {
719                vec tmp ( downsize );
720                filldown ( val_up, tmp );
721                return tmp;
722        }
723
724        void filldown ( const vec &val_up, vec &val_down ) {
725                bdm_assert_debug ( val_down.length() >= downsize, "short val_down" );
726
727                set_subvector ( val_down, v2v_down, val_up ( v2v_up ) ); // copy direct values
728                set_subvector ( val_down, h2v_down, history ( h2v_hist ) ); // copy delayed values
729        }
730
731        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rv_up ) {
732                // create link between up and down
733                datalink_part::set_connection ( rv, rv_up );
734
735                // create rvs of history
736                // we can store only what we get in rv_up - everything else is removed
737                ivec valid_ids = rv.findself_ids ( rv_up );
738                RV rv_hist = rv.subselect ( find ( valid_ids >= 0 ) ); // select only rvs that are in rv_up
739          RV rv_hist0 =rv_hist.remove_time();  // these RVs will form history at time =0
740          v2h_up = rv_hist0.dataind(rv_up); // indeces of elements of rv_up to be copied
741          // now we need to know what is needed from Up
742                rv_hist = rv_hist.expand_delayes(); // full regressor - including time 0
743          Hrv=rv_hist.subt(rv_hist0);   // remove time 0
744                history = zeros ( Hrv._dsize() );
745
746                Hrv.dataind ( rv, h2v_hist, h2v_down );
747
748                downsize = v2v_down.length() + h2v_down.length();
749                upsize = v2v_up.length();
750        }
751};
752
753//! buffered datalink from 2 vectors to 1
754class datalink_2to1_buffered {
755protected:
756        datalink_buffered dl1;
757        datalink_buffered dl2;
758public:
759        //! set connection between RVs
760        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rv_up1, const RV &rv_up2 ) {
761                dl1.set_connection ( rv, rv_up1 );
762                dl2.set_connection ( rv, rv_up2 );
763        }
764        void filldown ( const vec &val1, const vec &val2, vec &val_down ) {
765                bdm_assert_debug ( val_down.length() >= dl1._downsize() + dl2._downsize(), "short val_down" );
766                dl1.filldown ( val1, val_down );
767                dl2.filldown ( val2, val_down );
768        }
769        void step ( const vec &dt, const vec &ut ) {
770                dl1.step ( dt );
771                dl2.step ( ut );
772        }
773};
774
775
776
777//! Data link with a condition.
778class datalink_m2e: public datalink {
779protected:
780        //! Remember how long cond should be
781        int condsize;
782
783        //!upper_val-to-local_cond link, indices of the upper val
784        ivec v2c_up;
785
786        //!upper_val-to-local_cond link, indices of the local cond
787        ivec v2c_lo;
788
789public:
790        //! Constructor
791        datalink_m2e() : condsize ( 0 ) { }
792
793        //! Set connection between vectors
794        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rvc, const RV &rv_up );
795
796        //!Construct condition
797        vec get_cond ( const vec &val_up );
798
799        //! Copy corresponding values to Up.condition
800        void pushup_cond ( vec &val_up, const vec &val, const vec &cond );
801};
802
803//!DataLink is a connection between mpdf and its superordinate (Up)
804//! This class links
805class datalink_m2m: public datalink_m2e {
806protected:
807        //!cond-to-cond link, indices of the upper cond
808        ivec c2c_up;
809        //!cond-to-cond link, indices of the local cond
810        ivec c2c_lo;
811
812public:
813        //! Constructor
814        datalink_m2m() {};
815        //! Set connection between the vectors
816        void set_connection ( const RV &rv, const RV &rvc, const RV &rv_up, const RV &rvc_up ) {
817                datalink_m2e::set_connection ( rv, rvc, rv_up );
818                //establish c2c connection
819                rvc.dataind ( rvc_up, c2c_lo, c2c_up );
820                bdm_assert_debug ( c2c_lo.length() + v2c_lo.length() == condsize, "cond is not fully given" );
821        }
822
823        //! Get cond for myself from val and cond of "Up"
824        vec get_cond ( const vec &val_up, const vec &cond_up ) {
825                vec tmp ( condsize );
826                set_subvector ( tmp, v2c_lo, val_up ( v2c_up ) );
827                set_subvector ( tmp, c2c_lo, cond_up ( c2c_up ) );
828                return tmp;
829        }
830        //! Fill
831
832};
833
834/*!
835@brief Class for storing results (and semi-results) of an experiment
836
837This class abstracts logging of results from implementation. This class replaces direct logging of results (e.g. to files or to global variables) by calling methods of a logger. Specializations of this abstract class for specific storage method are designed.
838 */
839class logger : public root {
840protected:
841        //! RVs of all logged variables.
842        Array<RV> entries;
843        //! Names of logged quantities, e.g. names of algorithm variants
844        Array<string> names;
845public:
846        //!Default constructor
847        logger() : entries ( 0 ), names ( 0 ) {}
848
849        //! returns an identifier which will be later needed for calling the \c logit() function
850        //! For empty RV it returns -1, this entry will be ignored by \c logit().
851        virtual int add ( const RV &rv, string prefix = "" ) {
852                int id;
853                if ( rv._dsize() > 0 ) {
854                        id = entries.length();
855                        names = concat ( names, prefix ); // diff
856                        entries.set_length ( id + 1, true );
857                        entries ( id ) = rv;
858                } else {
859                        id = -1;
860                }
861                return id; // identifier of the last entry
862        }
863
864        //! log this vector
865        virtual void logit ( int id, const vec &v ) {
866                bdm_error ( "Not implemented" );
867        };
868        //! log this double
869        virtual void logit ( int id, const double &d ) {
870                bdm_error ( "Not implemented" );
871        };
872
873        //! Shifts storage position for another time step.
874        virtual void step() {
875                bdm_error ( "Not implemneted" );
876        };
877
878        //! Finalize storing information
879        virtual void finalize() {};
880
881        //! Initialize the storage
882        virtual void init() {};
883
884};
885
886/*! \brief Unconditional mpdf, allows using epdf in the role of mpdf.
887
888*/
889class mepdf : public mpdf {
890        //! Internal shared pointer to epdf
891        shared_ptr<epdf> iepdf;
892public:
893        //!Default constructor
894        mepdf() { }
895        //! Set internal shared pointer
896        mepdf ( shared_ptr<epdf> em ) {
897                iepdf = em;
898                set_ep ( *iepdf.get() );
899                dimc = 0;
900        }
901
902        //! empty
903        vec samplecond ( const vec &cond ) {
904                return iepdf->sample();
905        }
906        double evallogcond ( const vec &val, const vec &cond ) {
907                return iepdf->evallog ( val );
908        }
909
910        //! Load from structure with elements:
911        //!  \code
912        //! { class = "mepdf",
913        //!   epdf = {class="epdf_offspring",...}
914        //! }
915        //! \endcode
916        //!@}
917        void from_setting ( const Setting &set );
918};
919UIREGISTER ( mepdf );
920SHAREDPTR ( mepdf );
921
922//! \brief Combines RVs from a list of mpdfs to a single one.
923RV get_composite_rv ( const Array<shared_ptr<mpdf> > &mpdfs, bool checkoverlap = false );
924
925/*! \brief Abstract class for discrete-time sources of data.
926
927The class abstracts operations of:
928\li  data aquisition,
929\li  data-preprocessing, such as  scaling of data,
930\li  data resampling from the task of estimation and control.
931Moreover, for controlled systems, it is able to receive the desired control action and perform it in the next step. (Or as soon as possible).
932
933The DataSource has three main data interaction structures:
934\li input, \f$ u_t \f$,
935\li output \f$ y_t \f$,
936\li data, \f$ d_t=[y_t,u_t, \ldots ]\f$ a collection of all inputs and outputs and possibly some internal variables too.
937
938*/
939
940class DS : public root {
941protected:
942                //! size of data returned by \c getdata()
943        int dtsize;
944                //! size of data
945        int utsize;
946                //!size of output
947                int ytsize;
948        //!Description of data returned by \c getdata().
949        RV Drv;
950        //!Description of data witten by by \c write().
951        RV Urv; //
952                //!Description of output data
953                RV Yrv; //
954        //! Remember its own index in Logger L
955        int L_dt, L_ut;
956public:
957        //! default constructors
958                DS() : Drv(), Urv(),Yrv() {};
959
960        //! Returns maximum number of provided data, by default it is set to maximum allowed length, shorter DS should overload this method! See, MemDS.max_length().
961        virtual int max_length() {return std::numeric_limits< int >::max();}
962        //! Returns full vector of observed data=[output, input]
963        virtual void getdata ( vec &dt ) {
964                bdm_error ( "abstract class" );
965        }
966
967        //! Returns data records at indeces.
968        virtual void getdata ( vec &dt, const ivec &indeces ) {
969                bdm_error ( "abstract class" );
970        }
971
972        //! Accepts action variable and schedule it for application.
973        virtual void write ( vec &ut ) {
974                bdm_error ( "abstract class" );
975        }
976
977        //! Accepts action variables at specific indeces
978        virtual void write ( vec &ut, const ivec &indeces ) {
979                bdm_error ( "abstract class" );
980        }
981
982        //! Moves from \f$ t \f$ to \f$ t+1 \f$, i.e. perfroms the actions and reads response of the system.
983        virtual void step() = 0;
984
985        //! Register DS for logging into logger L
986        virtual void log_add ( logger &L ) {
987                bdm_assert_debug ( dtsize == Drv._dsize(), "invalid DS: dtsize (" + num2str ( dtsize ) + ") different from Drv " + num2str ( Drv._dsize() ) );
988                bdm_assert_debug ( utsize == Urv._dsize(), "invalid DS: utsize (" + num2str ( utsize ) + ") different from Urv " + num2str ( Urv._dsize() ) );
989
990                L_dt = L.add ( Drv, "" );
991                L_ut = L.add ( Urv, "" );
992        }
993        //! Register DS for logging into logger L
994        virtual void logit ( logger &L ) {
995                vec tmp ( Drv._dsize() + Urv._dsize() );
996                getdata ( tmp );
997                // d is first in getdata
998                L.logit ( L_dt, tmp.left ( Drv._dsize() ) );
999                // u follows after d in getdata
1000                L.logit ( L_ut, tmp.mid ( Drv._dsize(), Urv._dsize() ) );
1001        }
1002        //!access function
1003        virtual const RV& _drv() const {
1004                //              return concat (Drv, Urv);// why!!!
1005                return Drv;// why!!!
1006        }
1007        //!access function
1008        const RV& _urv() const {
1009                return Urv;
1010        }
1011                //!access function
1012                const RV& _yrv() const {
1013                        return Yrv;
1014                }
1015        //! set random variables
1016                virtual void set_drv (const  RV &yrv, const RV &urv) {
1017                    Yrv = yrv;
1018                        Drv = concat(yrv,urv);
1019                Urv = urv;
1020        }
1021};
1022
1023/*! \brief Bayesian Model of a system, i.e. all uncertainty is modeled by probabilities.
1024
1025This object represents exact or approximate evaluation of the Bayes rule:
1026\f[
1027f(\theta_t | d_1,\ldots,d_t) = \frac{f(y_t|\theta_t,\cdot) f(\theta_t|d_1,\ldots,d_{t-1})}{f(y_t|d_1,\ldots,d_{t-1})}
1028\f]
1029
1030Access to the resulting posterior density is via function \c posterior().
1031
1032As a "side-effect" it also evaluates log-likelihood of the data, which can be accessed via function _ll().
1033It can also evaluate predictors of future values of \f$y_t\f$, see functions epredictor() and predictor().
1034
1035Alternatively, it can evaluate posterior density conditioned by a known constant, \f$ c_t \f$:
1036\f[
1037f(\theta_t | c_t, d_1,\ldots,d_t) \propto  f(y_t,\theta_t|c_t,\cdot, d_1,\ldots,d_{t-1})
1038\f]
1039
1040The value of \f$ c_t \f$ is set by function condition().
1041
1042*/
1043
1044class BM : public root {
1045protected:
1046        //! Random variable of the data (optional)
1047        RV drv;
1048        //!Logarithm of marginalized data likelihood.
1049        double ll;
1050        //!  If true, the filter will compute likelihood of the data record and store it in \c ll . Set to false if you want to save computational time.
1051        bool evalll;
1052public:
1053        //! \name Constructors
1054        //! @{
1055
1056        BM() : ll ( 0 ), evalll ( true ), LIDs ( 4 ), LFlags ( 4 ) {
1057                LIDs = -1;/*empty IDs*/
1058                LFlags = 0;
1059                LFlags ( 0 ) = 1;  /*log only mean*/
1060        };
1061        BM ( const BM &B ) :  drv ( B.drv ), ll ( B.ll ), evalll ( B.evalll ) {}
1062        //! Copy function required in vectors, Arrays of BM etc. Have to be DELETED manually!
1063        //! Prototype: \code BM* _copy_() const {return new BM(*this);} \endcode
1064        virtual BM* _copy_() const {
1065                return NULL;
1066        };
1067        //!@}
1068
1069        //! \name Mathematical operations
1070        //!@{
1071
1072        /*! \brief Incremental Bayes rule
1073        @param dt vector of input data
1074        */
1075        virtual void bayes ( const vec &dt ) = 0;
1076        //! Batch Bayes rule (columns of Dt are observations)
1077        virtual void bayesB ( const mat &Dt );
1078        //! Evaluates predictive log-likelihood of the given data record
1079        //! I.e. marginal likelihood of the data with the posterior integrated out.
1080        virtual double logpred ( const vec &dt ) const {
1081                bdm_error ( "Not implemented" );
1082                return 0.0;
1083        }
1084
1085        //! Matrix version of logpred
1086        vec logpred_m ( const mat &dt ) const {
1087                vec tmp ( dt.cols() );
1088                for ( int i = 0; i < dt.cols(); i++ ) {
1089                        tmp ( i ) = logpred ( dt.get_col ( i ) );
1090                }
1091                return tmp;
1092        }
1093
1094        //!Constructs a predictive density \f$ f(d_{t+1} |d_{t}, \ldots d_{0}) \f$
1095        virtual epdf* epredictor() const {
1096                bdm_error ( "Not implemented" );
1097                return NULL;
1098        };
1099        //!Constructs conditional density of 1-step ahead predictor \f$ f(d_{t+1} |d_{t+h-1}, \ldots d_{t}) \f$
1100        virtual mpdf* predictor() const {
1101                bdm_error ( "Not implemented" );
1102                return NULL;
1103        };
1104        //!@}
1105
1106        //! \name Extension to conditional BM
1107        //! This extension is useful e.g. in Marginalized Particle Filter (\ref bdm::MPF).
1108        //! Alternatively, it can be used for automated connection to DS when the condition is observed
1109        //!@{
1110
1111        //! Name of extension variable
1112        RV rvc;
1113        //! access function
1114        const RV& _rvc() const {
1115                return rvc;
1116        }
1117
1118        //! Substitute \c val for \c rvc.
1119        virtual void condition ( const vec &val ) {
1120                bdm_error ( "Not implemented!" );
1121        }
1122
1123        //!@}
1124
1125
1126        //! \name Access to attributes
1127        //!@{
1128
1129        const RV& _drv() const {
1130                return drv;
1131        }
1132        void set_drv ( const RV &rv ) {
1133                drv = rv;
1134        }
1135        void set_rv ( const RV &rv ) {
1136                const_cast<epdf&> ( posterior() ).set_rv ( rv );
1137        }
1138        double _ll() const {
1139                return ll;
1140        }
1141        void set_evalll ( bool evl0 ) {
1142                evalll = evl0;
1143        }
1144        virtual const epdf& posterior() const = 0;
1145        //!@}
1146
1147        //! \name Logging of results
1148        //!@{
1149
1150        //! Set boolean options from a string, recognized are: "logbounds,logll"
1151        virtual void set_options ( const string &opt ) {
1152                LFlags ( 0 ) = 1;
1153                if ( opt.find ( "logbounds" ) != string::npos ) {
1154                        LFlags ( 1 ) = 1;
1155                        LFlags ( 2 ) = 1;
1156                }
1157                if ( opt.find ( "logll" ) != string::npos ) {
1158                        LFlags ( 3 ) = 1;
1159                }
1160        }
1161        //! IDs of storages in loggers 4:[1=mean,2=lb,3=ub,4=ll]
1162        ivec LIDs;
1163
1164        //! Flags for logging - same size as LIDs, each entry correspond to the same in LIDs
1165        ivec LFlags;
1166        //! Add all logged variables to a logger
1167        virtual void log_add ( logger &L, const string &name = "" ) {
1168                // internal
1169                RV r;
1170                if ( posterior().isnamed() ) {
1171                        r = posterior()._rv();
1172                } else {
1173                        r = RV ( "est", posterior().dimension() );
1174                };
1175
1176                // Add mean value
1177                if ( LFlags ( 0 ) ) LIDs ( 0 ) = L.add ( r, name + "mean_" );
1178                if ( LFlags ( 1 ) ) LIDs ( 1 ) = L.add ( r, name + "lb_" );
1179                if ( LFlags ( 2 ) ) LIDs ( 2 ) = L.add ( r, name + "ub_" );
1180                if ( LFlags ( 3 ) ) LIDs ( 3 ) = L.add ( RV ( "ll", 1 ), name );    //TODO: "local" RV
1181        }
1182        virtual void logit ( logger &L ) {
1183                L.logit ( LIDs ( 0 ), posterior().mean() );
1184                if ( LFlags ( 1 ) || LFlags ( 2 ) ) {  //if one of them is off, its LID==-1 and will not be stored
1185                        vec ub, lb;
1186                        posterior().qbounds ( lb, ub );
1187                        L.logit ( LIDs ( 1 ), lb );
1188                        L.logit ( LIDs ( 2 ), ub );
1189                }
1190                if ( LFlags ( 3 ) ) L.logit ( LIDs ( 3 ), ll );
1191        }
1192        //!@}
1193        void from_setting ( const Setting &set ) {
1194                shared_ptr<RV> r = UI::build<RV> ( set, "drv", UI::optional );
1195                if ( r ) {
1196                        set_drv ( *r );
1197                }
1198                string opt;
1199                if ( !UI::get ( opt, set, "options", UI::optional ) ) {
1200                        set_options ( opt );
1201                }
1202        }
1203
1204};
1205
1206typedef Array<shared_ptr<epdf> > epdf_array;
1207
1208typedef Array<shared_ptr<mpdf> > mpdf_array;
1209
1210template<class EPDF>
1211vec mpdf_internal<EPDF>::samplecond ( const vec &cond ) {
1212        condition ( cond );
1213        vec temp = iepdf.sample();
1214        return temp;
1215}
1216
1217template<class EPDF>
1218mat mpdf_internal<EPDF>::samplecond_m ( const vec &cond, int N ) {
1219        condition ( cond );
1220        mat temp ( dimension(), N );
1221        vec smp ( dimension() );
1222        for ( int i = 0; i < N; i++ ) {
1223                smp = iepdf.sample();
1224                temp.set_col ( i, smp );
1225        }
1226
1227        return temp;
1228}
1229
1230template<class EPDF>
1231double mpdf_internal<EPDF>::evallogcond ( const vec &dt, const vec &cond ) {
1232        double tmp;
1233        condition ( cond );
1234        tmp = iepdf.evallog ( dt );
1235        return tmp;
1236}
1237
1238template<class EPDF>
1239vec mpdf_internal<EPDF>::evallogcond_m ( const mat &Dt, const vec &cond ) {
1240        condition ( cond );
1241        return iepdf.evallog_m ( Dt );
1242}
1243
1244template<class EPDF>
1245vec mpdf_internal<EPDF>::evallogcond_m ( const Array<vec> &Dt, const vec &cond ) {
1246        condition ( cond );
1247        return iepdf.evallog_m ( Dt );
1248}
1249
1250}; //namespace
1251#endif // BDMBASE_H
Note: See TracBrowser for help on using the browser.