root/library/bdm/estim/arx.h @ 810

Revision 810, 6.5 kB (checked in by smidl, 14 years ago)

egiw with empty normal part

  • 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
59        ARX* _copy() const;
60
61        void set_frg ( double frg0 ) {
62                frg = frg0;
63        }
64        void set_constant ( bool const0 ) {
65                have_constant = const0;
66        }
67        void set_statistics ( int dimy0, const ldmat V0, double nu0 = -1.0 ) {
68                est.set_parameters ( dimy0, V0, nu0 );
69                last_lognc = est.lognc();
70                dimy = dimy0;
71        }
72        //!@}
73
74        //! Set sufficient statistics
75        void set_statistics ( const BMEF* BM0 );
76
77        //!\name Mathematical operations
78        //!@{
79
80        //! Weighted Bayes \f$ dt = [y_t psi_t] \f$.
81        void bayes_weighted ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec, const double w = 1.0 );
82        void bayes ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec ) {
83                bayes_weighted ( yt, cond, 1.0 );
84        };
85        double logpred ( const vec &yt ) const;
86        void flatten ( const BMEF* B );
87        //! Conditioned version of the predictor
88        enorm<ldmat>* epredictor ( const vec &rgr ) const;
89        //! Predictor for empty regressor
90        enorm<ldmat>* epredictor() const;
91        //! conditional version of the predictor
92        template<class sq_T>
93        shared_ptr<mlnorm<sq_T> > ml_predictor() const;
94        //! fast version of predicto
95        template<class sq_T>
96        void ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const;
97        mlstudent* predictor_student() const;
98        //! Brute force structure estimation.\return indeces of accepted regressors.
99        ivec structure_est ( egiw Eg0 );
100        //! Smarter structure estimation by Ludvik Tesar.\return indeces of accepted regressors.
101        ivec structure_est_LT ( egiw Eg0 );
102        //!@}
103
104        //!\name Access attributes
105        //!@{
106        //! return correctly typed posterior (covariant return)
107        const egiw& posterior() const {
108                return est;
109        }
110        //!@}
111
112        /*! UI for ARX estimator
113
114        \code
115        class = 'ARX';
116        rv    = RV({names_of_dt} )                 // description of output variables
117        rgr   = RV({names_of_regressors}, [-1,-2]} // description of regressor variables
118        constant = 1;                              // 0/1 switch if the constant term is modelled or not
119
120        --- optional ---
121        prior = {class='egiw',...};                // Prior density, when given default is used instead
122        alternative = {class='egiw',...};          // Alternative density in stabilized estimation, when not given prior is used
123
124        frg = 1.0;                                 // forgetting, default frg=1.0
125
126        rv_param   = RV({names_of_parameters}}     // description of parametetr names
127                                                                                           // default: ["theta_i" and "r_i"]
128        \endcode
129        */
130        void from_setting ( const Setting &set );
131
132        void validate() {
133                //if dimc not set set it from V
134                if ( dimc == 0 ) {
135                        dimc = posterior()._V().rows() - dimy - int ( have_constant == true );
136                }
137
138                if ( have_constant ) {
139                        dyad = ones ( dimy + dimc + 1 );
140                } else {
141                        dyad = zeros ( dimy + dimc );
142                }
143
144        }
145        //! function sets prior and alternative density
146        void set_prior ( const RV &drv, egiw &prior ) {
147                //TODO check ranges in RV and build prior
148        };
149        //! build default prior and alternative when all values are set
150        void set_prior_default ( egiw &prior ) {
151                //assume
152                vec dV0 ( prior._V().rows() );
153                dV0.set_subvector ( 0, prior._dimx() - 1, 1.0 );
154                if (dV0.length()>prior._dimx())
155                        dV0.set_subvector ( prior._dimx(), dV0.length() - 1, 1e-5 );
156
157                prior.set_parameters ( prior._dimx(), ldmat ( dV0 ) );
158        }
159
160        void to_setting ( Setting &set ) const
161        {                       
162                BMEF::to_setting( set ); // takes care of rv, yrv, rvc
163                int constant = have_constant ? 1 : 0;
164                UI::save(constant, set, "constant");
165                UI::save(&est, set, "prior");
166                UI::save(&alter_est, set, "alternative");
167               
168               
169        } 
170};
171UIREGISTER ( ARX );
172SHAREDPTR ( ARX );
173
174/*! ARX model conditined by knowledge of the forgetting factor
175\f[ f(\theta| d_1 \ldots d_t , \phi_t) \f]
176
177The symbol \f$ \phi \f$ is assumed to be the last of the conditioning variables.
178*/
179class ARXfrg : public ARX {
180public:
181        ARXfrg() : ARX() {};
182        //! copy constructor
183        ARXfrg ( const ARXfrg &A0 ) : ARX ( A0 ) {};
184        virtual ARXfrg* _copy() const {
185                ARXfrg *A = new ARXfrg ( *this );
186                return A;
187        }
188
189        void bayes ( const vec &val, const vec &cond ) {
190                frg = cond ( dimc - 1 ); //  last in cond is phi
191                ARX::bayes ( val, cond );
192        }
193        void validate() {
194                ARX::validate();
195                rvc.add ( RV ( "{phi }", vec_1 ( 1 ) ) );
196                dimc += 1;
197        }
198};
199UIREGISTER ( ARXfrg );
200
201
202////////////////////
203template<class sq_T>
204shared_ptr< mlnorm<sq_T> > ARX::ml_predictor ( ) const {
205        shared_ptr< mlnorm<sq_T> > tmp = new mlnorm<sq_T> ( );
206        tmp->set_rv ( yrv );
207        tmp->set_rvc ( _rvc() );
208
209        ml_predictor_update ( *tmp );
210        tmp->validate();
211        return tmp;
212}
213
214template<class sq_T>
215void ARX::ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const {
216        mat mu ( dimy, posterior()._V().rows() - dimy );
217        mat R ( dimy, dimy );
218
219        est.mean_mat ( mu, R ); //mu =
220        mu = mu.T();
221        //correction for student-t  -- TODO check if correct!!
222
223        if ( have_constant ) { // constant term
224                //Assume the constant term is the last one:
225                pred.set_parameters ( mu.get_cols ( 0, mu.cols() - 2 ), mu.get_col ( mu.cols() - 1 ), sq_T ( R ) );
226        } else {
227                pred.set_parameters ( mu, zeros ( dimy ), sq_T ( R ) );
228        }
229}
230
231};
232#endif // AR_H
233
Note: See TracBrowser for help on using the browser.