root/library/bdm/estim/arx.h @ 1013

Revision 1013, 7.7 kB (checked in by smidl, 14 years ago)

Flatten has an extra argument

  • Property svn:eol-style set to native
RevLine 
[97]1/*!
2  \file
3  \brief Bayesian Filtering for generalized autoregressive (ARX) model
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 AR_H
14#define AR_H
15
[384]16#include "../math/functions.h"
17#include "../stat/exp_family.h"
18#include "../base/user_info.h"
[585]19//#include "../estim/kalman.h"
20#include "arx_straux.h"
[97]21
[270]22namespace bdm {
[97]23
24/*!
25* \brief Linear Autoregressive model with Gaussian noise
26
27Regression of the following kind:
28\f[
29y_t = \theta_1 \psi_1 + \theta_2 + \psi_2 +\ldots + \theta_n \psi_n + r e_t
30\f]
31where unknown parameters \c rv are \f$[\theta r]\f$, regression vector \f$\psi=\psi(y_{1:t},u_{1:t})\f$ is a known function of past outputs and exogeneous variables \f$u_t\f$. Distrubances \f$e_t\f$ are supposed to be normally distributed:
32\f[
33e_t \sim \mathcal{N}(0,1).
34\f]
35
[271]36See \ref tut_arx for mathematical treatment.
37
38The easiest way how to use the class is:
39\include arx_simple.cpp
40
[384]41        \todo sort out constant terms - bayes should accept vec without additional 1s
[97]42*/
[170]43class ARX: public BMEF {
[97]44protected:
[625]45        //! switch if constant is modelled or not
46        bool have_constant;
[679]47        //! vector of dyadic update
48        vec dyad;
[979]49        //! RV of regressor
50        RV rgr;
[990]51        //! length of the regressor (without optional constant)
[964]52        int rgrlen;
[679]53        //! posterior density
54        egiw est;
[639]55        //! Alternative estimate of parameters, used in stabilized forgetting, see [Kulhavy]
56        egiw alter_est;
[97]57public:
[270]58        //! \name Constructors
59        //!@{
[964]60        ARX ( const double frg0 = 1.0 ) : BMEF ( frg0 ),  have_constant ( true ), dyad(), rgrlen(),est(), alter_est() {};
61        ARX ( const ARX &A0 ) : BMEF ( A0 ),  have_constant ( A0.have_constant ), dyad ( A0.dyad ),rgrlen(A0.rgrlen), est ( A0.est ), alter_est ( A0.alter_est ) { };
[766]62
63        ARX* _copy() const;
64
[796]65        void set_frg ( double frg0 ) {
[477]66                frg = frg0;
67        }
[649]68        void set_constant ( bool const0 ) {
[737]69                have_constant = const0;
[649]70        }
[679]71        void set_statistics ( int dimy0, const ldmat V0, double nu0 = -1.0 ) {
72                est.set_parameters ( dimy0, V0, nu0 );
[878]73                est.validate();
[477]74                last_lognc = est.lognc();
[679]75                dimy = dimy0;
[477]76        }
[270]77        //!@}
[170]78
[145]79        //! Set sufficient statistics
[170]80        void set_statistics ( const BMEF* BM0 );
[625]81
[270]82        //!\name Mathematical operations
83        //!@{
84
85        //! Weighted Bayes \f$ dt = [y_t psi_t] \f$.
[737]86        void bayes_weighted ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec, const double w = 1.0 );
87        void bayes ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec ) {
88                bayes_weighted ( yt, cond, 1.0 );
[477]89        };
[1009]90        double logpred ( const vec &yt, const vec &cond ) const;
[1013]91        void flatten ( const BMEF* B , double weight );
[262]92        //! Conditioned version of the predictor
[270]93        enorm<ldmat>* epredictor ( const vec &rgr ) const;
[262]94        //! conditional version of the predictor
[723]95        template<class sq_T>
96        shared_ptr<mlnorm<sq_T> > ml_predictor() const;
[737]97        //! fast version of predicto
[723]98        template<class sq_T>
[737]99        void ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const;
[270]100        mlstudent* predictor_student() const;
[896]101        //! Brute force structure estimation.\return indices of accepted regressors.
[1003]102        ivec structure_est ( const egiw &Eg0 );
[896]103        //! Smarter structure estimation by Ludvik Tesar.\return indices of accepted regressors.
[1003]104        ivec structure_est_LT ( const egiw &Eg0 );
[1009]105        //! reduce structure to the given ivec of matrix V
[996]106        void reduce_structure(ivec &inds_in_V){
107                ldmat V = posterior()._V();
108                if (max(inds_in_V)>=V.rows()) {bdm_error("Incompatible structure");}
109               
110                ldmat newV(V,inds_in_V);
111                est.set_parameters(dimy,newV, posterior()._nu());
[1009]112               
113                if (have_constant){
114                        ivec rgr_elem= find(inds_in_V<(V.rows()-1)); // < -- find non-constant
115                        rgr = rgr.subselect(rgr_elem);
116                        rgrlen = rgr_elem.length();
117                } else{
118                        rgr = rgr.subselect(inds_in_V);
119                }
[996]120                validate();
121        }
[270]122        //!@}
123
124        //!\name Access attributes
125        //!@{
[737]126        //! return correctly typed posterior (covariant return)
127        const egiw& posterior() const {
[477]128                return est;
129        }
[270]130        //!@}
131
[357]132        /*! UI for ARX estimator
133
134        \code
[625]135        class = 'ARX';
[964]136        yrv   = RV({names_of_dt} )                 // description of output variables
[625]137        rgr   = RV({names_of_regressors}, [-1,-2]} // description of regressor variables
[631]138        constant = 1;                              // 0/1 switch if the constant term is modelled or not
[357]139
[625]140        --- optional ---
[665]141        prior = {class='egiw',...};                // Prior density, when given default is used instead
142        alternative = {class='egiw',...};          // Alternative density in stabilized estimation, when not given prior is used
[737]143
[625]144        frg = 1.0;                                 // forgetting, default frg=1.0
145
[964]146        rv  = RV({names_of_parameters}}            // description of parametetr names
147                                                                                           // default: [""]
[357]148        \endcode
149        */
[477]150        void from_setting ( const Setting &set );
[357]151
[625]152        void validate() {
[850]153                BMEF::validate();       
[964]154                est.validate();
[990]155               
[996]156                // When statistics is defined, it has priority
157                if(posterior()._dimx()>0) {//statistics is assigned
[1003]158                        dimy = posterior()._dimx();
[996]159                        rgrlen=posterior()._V().rows() - dimy - int ( have_constant == true );
160                        dimc = rgrlen;
161                } else{  // statistics is not assigned - build it from dimy and rgrlen
162                        bdm_assert(dimy>0,"No way to validate egiw: empty statistics and empty dimy");
[990]163                        est.set_parameters(dimy, zeros(dimy+rgrlen+int(have_constant==true)));
164                        set_prior_default(est);
[679]165                }
[990]166                if (alter_est.dimension()==0) alter_est=est;
[737]167
[990]168                dyad = ones ( est._V().rows() );
[625]169        }
[737]170        //! function sets prior and alternative density
[973]171        void set_prior ( const epdf *prior );
[665]172        //! build default prior and alternative when all values are set
[737]173        void set_prior_default ( egiw &prior ) {
174                //assume
175                vec dV0 ( prior._V().rows() );
176                dV0.set_subvector ( 0, prior._dimx() - 1, 1.0 );
[810]177                if (dV0.length()>prior._dimx())
178                        dV0.set_subvector ( prior._dimx(), dV0.length() - 1, 1e-5 );
[878]179               
[737]180                prior.set_parameters ( prior._dimx(), ldmat ( dV0 ) );
[878]181                prior.validate();
[665]182        }
[746]183
184        void to_setting ( Setting &set ) const
185        {                       
[796]186                BMEF::to_setting( set ); // takes care of rv, yrv, rvc
[979]187                UI::save(rgr, set, "rgr");
[796]188                int constant = have_constant ? 1 : 0;
189                UI::save(constant, set, "constant");
190                UI::save(&alter_est, set, "alternative");
[979]191                UI::save(&posterior(), set, "posterior");
[796]192               
[746]193        } 
[1009]194        //! access function
195        RV & _rgr() {return rgr;}
196        bool _have_constant() {return have_constant;}
197        int _rgrlen() {return rgrlen;}
[97]198};
[477]199UIREGISTER ( ARX );
[529]200SHAREDPTR ( ARX );
[357]201
[639]202/*! ARX model conditined by knowledge of the forgetting factor
203\f[ f(\theta| d_1 \ldots d_t , \phi_t) \f]
[700]204
205The symbol \f$ \phi \f$ is assumed to be the last of the conditioning variables.
[639]206*/
[737]207class ARXfrg : public ARX {
208public:
209        ARXfrg() : ARX() {};
210        //! copy constructor
211        ARXfrg ( const ARXfrg &A0 ) : ARX ( A0 ) {};
[766]212        virtual ARXfrg* _copy() const {
[737]213                ARXfrg *A = new ARXfrg ( *this );
214                return A;
215        }
[700]216
[737]217        void bayes ( const vec &val, const vec &cond ) {
[990]218                bdm_assert_debug(cond.size()>rgrlen, "ARXfrg: Insufficient conditioning, frg not given.");
219                frg = cond ( rgrlen); // the first part after rgrlen
220                ARX::bayes ( val, cond.left(rgrlen) );
[639]221        }
[700]222        void validate() {
223                ARX::validate();
[737]224                rvc.add ( RV ( "{phi }", vec_1 ( 1 ) ) );
225                dimc += 1;
[700]226        }
[639]227};
[737]228UIREGISTER ( ARXfrg );
[723]229
230
[996]231
[723]232////////////////////
233template<class sq_T>
234shared_ptr< mlnorm<sq_T> > ARX::ml_predictor ( ) const {
235        shared_ptr< mlnorm<sq_T> > tmp = new mlnorm<sq_T> ( );
[737]236        tmp->set_rv ( yrv );
237        tmp->set_rvc ( _rvc() );
238
239        ml_predictor_update ( *tmp );
[723]240        tmp->validate();
241        return tmp;
242}
243
244template<class sq_T>
[737]245void ARX::ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const {
[723]246        mat mu ( dimy, posterior()._V().rows() - dimy );
247        mat R ( dimy, dimy );
[737]248
[723]249        est.mean_mat ( mu, R ); //mu =
250        mu = mu.T();
251        //correction for student-t  -- TODO check if correct!!
[737]252
253        if ( have_constant ) { // constant term
[723]254                //Assume the constant term is the last one:
255                pred.set_parameters ( mu.get_cols ( 0, mu.cols() - 2 ), mu.get_col ( mu.cols() - 1 ), sq_T ( R ) );
256        } else {
[737]257                pred.set_parameters ( mu, zeros ( dimy ), sq_T ( R ) );
[723]258        }
259}
260
[639]261};
[97]262#endif // AR_H
263
Note: See TracBrowser for help on using the browser.