root/library/bdm/estim/arx.h @ 1009

Revision 1009, 7.6 kB (checked in by smidl, 14 years ago)

changes in bayes_batch

  • Property svn:eol-style set to native
Line 
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
16#include "../math/functions.h"
17#include "../stat/exp_family.h"
18#include "../base/user_info.h"
19//#include "../estim/kalman.h"
20#include "arx_straux.h"
21
22namespace bdm {
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
36See \ref tut_arx for mathematical treatment.
37
38The easiest way how to use the class is:
39\include arx_simple.cpp
40
41        \todo sort out constant terms - bayes should accept vec without additional 1s
42*/
43class ARX: public BMEF {
44protected:
45        //! switch if constant is modelled or not
46        bool have_constant;
47        //! vector of dyadic update
48        vec dyad;
49        //! RV of regressor
50        RV rgr;
51        //! length of the regressor (without optional constant)
52        int rgrlen;
53        //! posterior density
54        egiw est;
55        //! Alternative estimate of parameters, used in stabilized forgetting, see [Kulhavy]
56        egiw alter_est;
57public:
58        //! \name Constructors
59        //!@{
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 ) { };
62
63        ARX* _copy() const;
64
65        void set_frg ( double frg0 ) {
66                frg = frg0;
67        }
68        void set_constant ( bool const0 ) {
69                have_constant = const0;
70        }
71        void set_statistics ( int dimy0, const ldmat V0, double nu0 = -1.0 ) {
72                est.set_parameters ( dimy0, V0, nu0 );
73                est.validate();
74                last_lognc = est.lognc();
75                dimy = dimy0;
76        }
77        //!@}
78
79        //! Set sufficient statistics
80        void set_statistics ( const BMEF* BM0 );
81
82        //!\name Mathematical operations
83        //!@{
84
85        //! Weighted Bayes \f$ dt = [y_t psi_t] \f$.
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 );
89        };
90        double logpred ( const vec &yt, const vec &cond ) const;
91        void flatten ( const BMEF* B );
92        //! Conditioned version of the predictor
93        enorm<ldmat>* epredictor ( const vec &rgr ) const;
94        //! conditional version of the predictor
95        template<class sq_T>
96        shared_ptr<mlnorm<sq_T> > ml_predictor() const;
97        //! fast version of predicto
98        template<class sq_T>
99        void ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const;
100        mlstudent* predictor_student() const;
101        //! Brute force structure estimation.\return indices of accepted regressors.
102        ivec structure_est ( const egiw &Eg0 );
103        //! Smarter structure estimation by Ludvik Tesar.\return indices of accepted regressors.
104        ivec structure_est_LT ( const egiw &Eg0 );
105        //! reduce structure to the given ivec of matrix V
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());
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                }
120                validate();
121        }
122        //!@}
123
124        //!\name Access attributes
125        //!@{
126        //! return correctly typed posterior (covariant return)
127        const egiw& posterior() const {
128                return est;
129        }
130        //!@}
131
132        /*! UI for ARX estimator
133
134        \code
135        class = 'ARX';
136        yrv   = RV({names_of_dt} )                 // description of output variables
137        rgr   = RV({names_of_regressors}, [-1,-2]} // description of regressor variables
138        constant = 1;                              // 0/1 switch if the constant term is modelled or not
139
140        --- optional ---
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
143
144        frg = 1.0;                                 // forgetting, default frg=1.0
145
146        rv  = RV({names_of_parameters}}            // description of parametetr names
147                                                                                           // default: [""]
148        \endcode
149        */
150        void from_setting ( const Setting &set );
151
152        void validate() {
153                BMEF::validate();       
154                est.validate();
155               
156                // When statistics is defined, it has priority
157                if(posterior()._dimx()>0) {//statistics is assigned
158                        dimy = posterior()._dimx();
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");
163                        est.set_parameters(dimy, zeros(dimy+rgrlen+int(have_constant==true)));
164                        set_prior_default(est);
165                }
166                if (alter_est.dimension()==0) alter_est=est;
167
168                dyad = ones ( est._V().rows() );
169        }
170        //! function sets prior and alternative density
171        void set_prior ( const epdf *prior );
172        //! build default prior and alternative when all values are set
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 );
177                if (dV0.length()>prior._dimx())
178                        dV0.set_subvector ( prior._dimx(), dV0.length() - 1, 1e-5 );
179               
180                prior.set_parameters ( prior._dimx(), ldmat ( dV0 ) );
181                prior.validate();
182        }
183
184        void to_setting ( Setting &set ) const
185        {                       
186                BMEF::to_setting( set ); // takes care of rv, yrv, rvc
187                UI::save(rgr, set, "rgr");
188                int constant = have_constant ? 1 : 0;
189                UI::save(constant, set, "constant");
190                UI::save(&alter_est, set, "alternative");
191                UI::save(&posterior(), set, "posterior");
192               
193        } 
194        //! access function
195        RV & _rgr() {return rgr;}
196        bool _have_constant() {return have_constant;}
197        int _rgrlen() {return rgrlen;}
198};
199UIREGISTER ( ARX );
200SHAREDPTR ( ARX );
201
202/*! ARX model conditined by knowledge of the forgetting factor
203\f[ f(\theta| d_1 \ldots d_t , \phi_t) \f]
204
205The symbol \f$ \phi \f$ is assumed to be the last of the conditioning variables.
206*/
207class ARXfrg : public ARX {
208public:
209        ARXfrg() : ARX() {};
210        //! copy constructor
211        ARXfrg ( const ARXfrg &A0 ) : ARX ( A0 ) {};
212        virtual ARXfrg* _copy() const {
213                ARXfrg *A = new ARXfrg ( *this );
214                return A;
215        }
216
217        void bayes ( const vec &val, const vec &cond ) {
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) );
221        }
222        void validate() {
223                ARX::validate();
224                rvc.add ( RV ( "{phi }", vec_1 ( 1 ) ) );
225                dimc += 1;
226        }
227};
228UIREGISTER ( ARXfrg );
229
230
231
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> ( );
236        tmp->set_rv ( yrv );
237        tmp->set_rvc ( _rvc() );
238
239        ml_predictor_update ( *tmp );
240        tmp->validate();
241        return tmp;
242}
243
244template<class sq_T>
245void ARX::ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const {
246        mat mu ( dimy, posterior()._V().rows() - dimy );
247        mat R ( dimy, dimy );
248
249        est.mean_mat ( mu, R ); //mu =
250        mu = mu.T();
251        //correction for student-t  -- TODO check if correct!!
252
253        if ( have_constant ) { // constant term
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 {
257                pred.set_parameters ( mu, zeros ( dimy ), sq_T ( R ) );
258        }
259}
260
261};
262#endif // AR_H
263
Note: See TracBrowser for help on using the browser.