root/library/bdm/estim/arx.h @ 741

Revision 738, 6.2 kB (checked in by mido, 15 years ago)

a few moves of code from h to cpp, however, only part of the whole library is done

  • 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        //! posterior density
50        egiw est;
51        //! Alternative estimate of parameters, used in stabilized forgetting, see [Kulhavy]
52        egiw alter_est;
53public:
54        //! \name Constructors
55        //!@{
56        ARX ( const double frg0 = 1.0 ) : BMEF ( frg0 ),  have_constant ( true ), dyad(), est(), alter_est() {};
57        ARX ( const ARX &A0 ) : BMEF ( A0 ),  have_constant ( A0.have_constant ), dyad ( A0.dyad ), est ( A0.est ), alter_est ( A0.alter_est ) { };
58        ARX* _copy_() const;
59        void set_parameters ( double frg0 ) {
60                frg = frg0;
61        }
62        void set_constant ( bool const0 ) {
63                have_constant = const0;
64        }
65        void set_statistics ( int dimy0, const ldmat V0, double nu0 = -1.0 ) {
66                est.set_parameters ( dimy0, V0, nu0 );
67                last_lognc = est.lognc();
68                dimy = dimy0;
69        }
70        //!@}
71
72        //! Set sufficient statistics
73        void set_statistics ( const BMEF* BM0 );
74
75        //!\name Mathematical operations
76        //!@{
77
78        //! Weighted Bayes \f$ dt = [y_t psi_t] \f$.
79        void bayes_weighted ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec, const double w = 1.0 );
80        void bayes ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec ) {
81                bayes_weighted ( yt, cond, 1.0 );
82        };
83        double logpred ( const vec &yt ) const;
84        void flatten ( const BMEF* B );
85        //! Conditioned version of the predictor
86        enorm<ldmat>* epredictor ( const vec &rgr ) const;
87        //! Predictor for empty regressor
88        enorm<ldmat>* epredictor() const;
89        //! conditional version of the predictor
90        template<class sq_T>
91        shared_ptr<mlnorm<sq_T> > ml_predictor() const;
92        //! fast version of predicto
93        template<class sq_T>
94        void ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const;
95        mlstudent* predictor_student() const;
96        //! Brute force structure estimation.\return indeces of accepted regressors.
97        ivec structure_est ( egiw Eg0 );
98        //! Smarter structure estimation by Ludvik Tesar.\return indeces of accepted regressors.
99        ivec structure_est_LT ( egiw Eg0 );
100        //!@}
101
102        //!\name Access attributes
103        //!@{
104        //! return correctly typed posterior (covariant return)
105        const egiw& posterior() const {
106                return est;
107        }
108        //!@}
109
110        /*! UI for ARX estimator
111
112        \code
113        class = 'ARX';
114        rv    = RV({names_of_dt} )                 // description of output variables
115        rgr   = RV({names_of_regressors}, [-1,-2]} // description of regressor variables
116        constant = 1;                              // 0/1 switch if the constant term is modelled or not
117
118        --- optional ---
119        prior = {class='egiw',...};                // Prior density, when given default is used instead
120        alternative = {class='egiw',...};          // Alternative density in stabilized estimation, when not given prior is used
121
122        frg = 1.0;                                 // forgetting, default frg=1.0
123
124        rv_param   = RV({names_of_parameters}}     // description of parametetr names
125                                                                                           // default: ["theta_i" and "r_i"]
126        \endcode
127        */
128        void from_setting ( const Setting &set );
129
130        void validate() {
131                //if dimc not set set it from V
132                if ( dimc == 0 ) {
133                        dimc = posterior()._V().rows() - dimy - int ( have_constant == true );
134                }
135
136                if ( have_constant ) {
137                        dyad = ones ( dimy + dimc + 1 );
138                } else {
139                        dyad = zeros ( dimy + dimc );
140                }
141
142        }
143        //! function sets prior and alternative density
144        void set_prior ( const RV &drv, egiw &prior ) {
145                //TODO check ranges in RV and build prior
146        };
147        //! build default prior and alternative when all values are set
148        void set_prior_default ( egiw &prior ) {
149                //assume
150                vec dV0 ( prior._V().rows() );
151                dV0.set_subvector ( 0, prior._dimx() - 1, 1.0 );
152                dV0.set_subvector ( prior._dimx(), dV0.length() - 1, 1e-5 );
153
154                prior.set_parameters ( prior._dimx(), ldmat ( dV0 ) );
155        }
156};
157
158UIREGISTER ( ARX );
159SHAREDPTR ( ARX );
160
161/*! ARX model conditined by knowledge of the forgetting factor
162\f[ f(\theta| d_1 \ldots d_t , \phi_t) \f]
163
164The symbol \f$ \phi \f$ is assumed to be the last of the conditioning variables.
165*/
166class ARXfrg : public ARX {
167public:
168        ARXfrg() : ARX() {};
169        //! copy constructor
170        ARXfrg ( const ARXfrg &A0 ) : ARX ( A0 ) {};
171        ARXfrg* _copy_() const {
172                ARXfrg *A = new ARXfrg ( *this );
173                return A;
174        }
175
176        void bayes ( const vec &val, const vec &cond ) {
177                frg = cond ( dimc - 1 ); //  last in cond is phi
178                ARX::bayes ( val, cond );
179        }
180        void validate() {
181                ARX::validate();
182                rvc.add ( RV ( "{phi }", vec_1 ( 1 ) ) );
183                dimc += 1;
184        }
185};
186UIREGISTER ( ARXfrg );
187
188
189////////////////////
190template<class sq_T>
191shared_ptr< mlnorm<sq_T> > ARX::ml_predictor ( ) const {
192        shared_ptr< mlnorm<sq_T> > tmp = new mlnorm<sq_T> ( );
193        tmp->set_rv ( yrv );
194        tmp->set_rvc ( _rvc() );
195
196        ml_predictor_update ( *tmp );
197        tmp->validate();
198        return tmp;
199}
200
201template<class sq_T>
202void ARX::ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const {
203        mat mu ( dimy, posterior()._V().rows() - dimy );
204        mat R ( dimy, dimy );
205
206        est.mean_mat ( mu, R ); //mu =
207        mu = mu.T();
208        //correction for student-t  -- TODO check if correct!!
209
210        if ( have_constant ) { // constant term
211                //Assume the constant term is the last one:
212                pred.set_parameters ( mu.get_cols ( 0, mu.cols() - 2 ), mu.get_col ( mu.cols() - 1 ), sq_T ( R ) );
213        } else {
214                pred.set_parameters ( mu, zeros ( dimy ), sq_T ( R ) );
215        }
216}
217
218};
219#endif // AR_H
220
Note: See TracBrowser for help on using the browser.