root/library/bdm/estim/arx.h @ 896

Revision 896, 6.5 kB (checked in by mido, 14 years ago)

cleanup of MemDS and its descendants
bdmtoolbox/CMakeLists.txt slightly changed to avoid unnecessary MEX condition
"indeces" replaced by "indices"

  • 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                est.validate();
70                last_lognc = est.lognc();
71                dimy = dimy0;
72        }
73        //!@}
74
75        //! Set sufficient statistics
76        void set_statistics ( const BMEF* BM0 );
77
78        //!\name Mathematical operations
79        //!@{
80
81        //! Weighted Bayes \f$ dt = [y_t psi_t] \f$.
82        void bayes_weighted ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec, const double w = 1.0 );
83        void bayes ( const vec &yt, const vec &cond = empty_vec ) {
84                bayes_weighted ( yt, cond, 1.0 );
85        };
86        double logpred ( const vec &yt ) const;
87        void flatten ( const BMEF* B );
88        //! Conditioned version of the predictor
89        enorm<ldmat>* epredictor ( const vec &rgr ) const;
90        //! Predictor for empty regressor
91        enorm<ldmat>* epredictor() const;
92        //! conditional version of the predictor
93        template<class sq_T>
94        shared_ptr<mlnorm<sq_T> > ml_predictor() const;
95        //! fast version of predicto
96        template<class sq_T>
97        void ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const;
98        mlstudent* predictor_student() const;
99        //! Brute force structure estimation.\return indices of accepted regressors.
100        ivec structure_est ( egiw Eg0 );
101        //! Smarter structure estimation by Ludvik Tesar.\return indices of accepted regressors.
102        ivec structure_est_LT ( egiw Eg0 );
103        //!@}
104
105        //!\name Access attributes
106        //!@{
107        //! return correctly typed posterior (covariant return)
108        const egiw& posterior() const {
109                return est;
110        }
111        //!@}
112
113        /*! UI for ARX estimator
114
115        \code
116        class = 'ARX';
117        rv    = RV({names_of_dt} )                 // description of output variables
118        rgr   = RV({names_of_regressors}, [-1,-2]} // description of regressor variables
119        constant = 1;                              // 0/1 switch if the constant term is modelled or not
120
121        --- optional ---
122        prior = {class='egiw',...};                // Prior density, when given default is used instead
123        alternative = {class='egiw',...};          // Alternative density in stabilized estimation, when not given prior is used
124
125        frg = 1.0;                                 // forgetting, default frg=1.0
126
127        rv_param   = RV({names_of_parameters}}     // description of parametetr names
128                                                                                           // default: ["theta_i" and "r_i"]
129        \endcode
130        */
131        void from_setting ( const Setting &set );
132
133        void validate() {
134                BMEF::validate();       
135
136                //if dimc not set set it from V
137                if ( dimc == 0 ) {
138                        dimc = posterior()._V().rows() - dimy - int ( have_constant == true );
139                }
140
141                if ( have_constant ) {
142                        dyad = ones ( dimy + dimc + 1 );
143                } else {
144                        dyad = zeros ( dimy + dimc );
145                }
146
147        }
148        //! function sets prior and alternative density
149        void set_prior ( const RV &drv, egiw &prior ) {
150                //TODO check ranges in RV and build prior
151        };
152        //! build default prior and alternative when all values are set
153        void set_prior_default ( egiw &prior ) {
154                //assume
155                vec dV0 ( prior._V().rows() );
156                dV0.set_subvector ( 0, prior._dimx() - 1, 1.0 );
157                if (dV0.length()>prior._dimx())
158                        dV0.set_subvector ( prior._dimx(), dV0.length() - 1, 1e-5 );
159               
160                prior.set_parameters ( prior._dimx(), ldmat ( dV0 ) );
161                prior.validate();
162        }
163
164        void to_setting ( Setting &set ) const
165        {                       
166                BMEF::to_setting( set ); // takes care of rv, yrv, rvc
167                int constant = have_constant ? 1 : 0;
168                UI::save(constant, set, "constant");
169                UI::save(&est, set, "prior");
170                UI::save(&alter_est, set, "alternative");
171               
172               
173        } 
174};
175UIREGISTER ( ARX );
176SHAREDPTR ( ARX );
177
178/*! ARX model conditined by knowledge of the forgetting factor
179\f[ f(\theta| d_1 \ldots d_t , \phi_t) \f]
180
181The symbol \f$ \phi \f$ is assumed to be the last of the conditioning variables.
182*/
183class ARXfrg : public ARX {
184public:
185        ARXfrg() : ARX() {};
186        //! copy constructor
187        ARXfrg ( const ARXfrg &A0 ) : ARX ( A0 ) {};
188        virtual ARXfrg* _copy() const {
189                ARXfrg *A = new ARXfrg ( *this );
190                return A;
191        }
192
193        void bayes ( const vec &val, const vec &cond ) {
194                frg = cond ( dimc - 1 ); //  last in cond is phi
195                ARX::bayes ( val, cond );
196        }
197        void validate() {
198                ARX::validate();
199                rvc.add ( RV ( "{phi }", vec_1 ( 1 ) ) );
200                dimc += 1;
201        }
202};
203UIREGISTER ( ARXfrg );
204
205
206////////////////////
207template<class sq_T>
208shared_ptr< mlnorm<sq_T> > ARX::ml_predictor ( ) const {
209        shared_ptr< mlnorm<sq_T> > tmp = new mlnorm<sq_T> ( );
210        tmp->set_rv ( yrv );
211        tmp->set_rvc ( _rvc() );
212
213        ml_predictor_update ( *tmp );
214        tmp->validate();
215        return tmp;
216}
217
218template<class sq_T>
219void ARX::ml_predictor_update ( mlnorm<sq_T> &pred ) const {
220        mat mu ( dimy, posterior()._V().rows() - dimy );
221        mat R ( dimy, dimy );
222
223        est.mean_mat ( mu, R ); //mu =
224        mu = mu.T();
225        //correction for student-t  -- TODO check if correct!!
226
227        if ( have_constant ) { // constant term
228                //Assume the constant term is the last one:
229                pred.set_parameters ( mu.get_cols ( 0, mu.cols() - 2 ), mu.get_col ( mu.cols() - 1 ), sq_T ( R ) );
230        } else {
231                pred.set_parameters ( mu, zeros ( dimy ), sq_T ( R ) );
232        }
233}
234
235};
236#endif // AR_H
237
Note: See TracBrowser for help on using the browser.