| 1 | //$$ newmatnl.cpp         Non-linear optimisation | 
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| 3 | // Copyright (C) 1993,4,5,6: R B Davies | 
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| 6 | #define WANT_MATH | 
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| 7 | #define WANT_STREAM | 
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| 9 | #include "newmatap.h" | 
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| 10 | #include "newmatnl.h" | 
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| 11 |  | 
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| 12 | #ifdef use_namespace | 
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| 13 | namespace NEWMAT { | 
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| 14 | #endif | 
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| 15 |  | 
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| 16 |  | 
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| 17 |  | 
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| 18 | void FindMaximum2::Fit(ColumnVector& Theta, int n_it) | 
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| 19 | { | 
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| 20 |    Tracer tr("FindMaximum2::Fit"); | 
|---|
| 21 |    enum State {Start, Restart, Continue, Interpolate, Extrapolate, | 
|---|
| 22 |       Fail, Convergence}; | 
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| 23 |    State TheState = Start; | 
|---|
| 24 |    Real z,w,x,x2,g,l1,l2,l3,d1,d2=0,d3; | 
|---|
| 25 |    ColumnVector Theta1, Theta2, Theta3; | 
|---|
| 26 |    int np = Theta.Nrows(); | 
|---|
| 27 |    ColumnVector H1(np), H3, HP(np), K, K1(np); | 
|---|
| 28 |    bool oorg, conv; | 
|---|
| 29 |    int counter = 0; | 
|---|
| 30 |    Theta1 = Theta; HP = 0.0; g = 0.0; | 
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| 31 |  | 
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| 32 |    // This is really a set of gotos and labels, but they do not work | 
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| 33 |    // correctly in AT&T C++ and Sun 4.01 C++. | 
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| 34 |  | 
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| 35 |    for(;;) | 
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| 36 |    { | 
|---|
| 37 |       switch (TheState) | 
|---|
| 38 |       { | 
|---|
| 39 |       case Start: | 
|---|
| 40 |          tr.ReName("FindMaximum2::Fit/Start"); | 
|---|
| 41 |          Value(Theta1, true, l1, oorg); | 
|---|
| 42 |          if (oorg) Throw(ProgramException("invalid starting value\n")); | 
|---|
| 43 |  | 
|---|
| 44 |       case Restart: | 
|---|
| 45 |          tr.ReName("FindMaximum2::Fit/ReStart"); | 
|---|
| 46 |          conv = NextPoint(H1, d1); | 
|---|
| 47 |          if (conv) { TheState = Convergence; break; } | 
|---|
| 48 |          if (counter++ > n_it) { TheState = Fail; break; } | 
|---|
| 49 |  | 
|---|
| 50 |          z = 1.0 / sqrt(d1); | 
|---|
| 51 |          H3 = H1 * z; K = (H3 - HP) * g; HP = H3; | 
|---|
| 52 |          g = 0.0;                     // de-activate to use curved projection | 
|---|
| 53 |          if (g==0.0) K1 = 0.0; else K1 = K * 0.2 + K1 * 0.6; | 
|---|
| 54 |          // (K - K1) * alpha + K1 * (1 - alpha) | 
|---|
| 55 |          //     = K * alpha + K1 * (1 - 2 * alpha) | 
|---|
| 56 |          K = K1 * d1; g = z; | 
|---|
| 57 |  | 
|---|
| 58 |       case Continue: | 
|---|
| 59 |          tr.ReName("FindMaximum2::Fit/Continue"); | 
|---|
| 60 |          Theta2 = Theta1 + H1 + K; | 
|---|
| 61 |          Value(Theta2, false, l2, oorg); | 
|---|
| 62 |          if (counter++ > n_it) { TheState = Fail; break; } | 
|---|
| 63 |          if (oorg) | 
|---|
| 64 |          { | 
|---|
| 65 |             H1 *= 0.5; K *= 0.25; d1 *= 0.5; g *= 2.0; | 
|---|
| 66 |             TheState =  Continue; break; | 
|---|
| 67 |          } | 
|---|
| 68 |          d2 = LastDerivative(H1 + K * 2.0); | 
|---|
| 69 |  | 
|---|
| 70 |       case Interpolate: | 
|---|
| 71 |          tr.ReName("FindMaximum2::Fit/Interpolate"); | 
|---|
| 72 |          z = d1 + d2 - 3.0 * (l2 - l1); | 
|---|
| 73 |          w = z * z - d1 * d2; | 
|---|
| 74 |          if (w < 0.0) { TheState = Extrapolate; break; } | 
|---|
| 75 |          w = z + sqrt(w); | 
|---|
| 76 |          if (1.5 * w + d1 < 0.0) | 
|---|
| 77 |             { TheState = Extrapolate; break; } | 
|---|
| 78 |          if (d2 > 0.0 && l2 > l1 && w > 0.0) | 
|---|
| 79 |             { TheState = Extrapolate; break; } | 
|---|
| 80 |          x = d1 / (w + d1); x2 = x * x; g /= x; | 
|---|
| 81 |          Theta3 = Theta1 + H1 * x + K * x2; | 
|---|
| 82 |          Value(Theta3, true, l3, oorg); | 
|---|
| 83 |          if (counter++ > n_it) { TheState = Fail; break; } | 
|---|
| 84 |          if (oorg) | 
|---|
| 85 |          { | 
|---|
| 86 |             if (x <= 1.0) | 
|---|
| 87 |                { x *= 0.5; x2 = x*x; g *= 2.0; d1 *= x; H1 *= x; K *= x2; } | 
|---|
| 88 |             else | 
|---|
| 89 |             { | 
|---|
| 90 |                x = 0.5 * (x-1.0); x2 = x*x; Theta1 = Theta2; | 
|---|
| 91 |                H1 = (H1 + K * 2.0) * x; | 
|---|
| 92 |                K *= x2; g = 0.0; d1 = x * d2; l1 = l2; | 
|---|
| 93 |             } | 
|---|
| 94 |             TheState = Continue; break; | 
|---|
| 95 |          } | 
|---|
| 96 |  | 
|---|
| 97 |          if (l3 >= l1 && l3 >= l2) | 
|---|
| 98 |             { Theta1 = Theta3; l1 = l3; TheState =  Restart; break; } | 
|---|
| 99 |  | 
|---|
| 100 |          d3 = LastDerivative(H1 + K * 2.0); | 
|---|
| 101 |          if (l1 > l2) | 
|---|
| 102 |             { H1 *= x; K *= x2; Theta2 = Theta3; d1 *= x; d2 = d3*x; } | 
|---|
| 103 |          else | 
|---|
| 104 |          { | 
|---|
| 105 |             Theta1 = Theta2; Theta2 = Theta3; | 
|---|
| 106 |             x -= 1.0; x2 = x*x; g = 0.0; H1 = (H1 + K * 2.0) * x; | 
|---|
| 107 |             K *= x2; l1 = l2; l2 = l3; d1 = x*d2; d2 = x*d3; | 
|---|
| 108 |             if (d1 <= 0.0) { TheState = Start; break; } | 
|---|
| 109 |          } | 
|---|
| 110 |          TheState =  Interpolate; break; | 
|---|
| 111 |  | 
|---|
| 112 |       case Extrapolate: | 
|---|
| 113 |          tr.ReName("FindMaximum2::Fit/Extrapolate"); | 
|---|
| 114 |          Theta1 = Theta2; g = 0.0; K *= 4.0; H1 = (H1 * 2.0 + K); | 
|---|
| 115 |          d1 = 2.0 * d2; l1 = l2; | 
|---|
| 116 |          TheState = Continue; break; | 
|---|
| 117 |  | 
|---|
| 118 |       case Fail: | 
|---|
| 119 |          Throw(ConvergenceException(Theta)); | 
|---|
| 120 |  | 
|---|
| 121 |       case Convergence: | 
|---|
| 122 |          Theta = Theta1; return; | 
|---|
| 123 |       } | 
|---|
| 124 |    } | 
|---|
| 125 | } | 
|---|
| 126 |  | 
|---|
| 127 |  | 
|---|
| 128 |  | 
|---|
| 129 | void NonLinearLeastSquares::Value | 
|---|
| 130 |    (const ColumnVector& Parameters, bool, Real& v, bool& oorg) | 
|---|
| 131 | { | 
|---|
| 132 |    Tracer tr("NonLinearLeastSquares::Value"); | 
|---|
| 133 |    Y.ReSize(n_obs); X.ReSize(n_obs,n_param); | 
|---|
| 134 |    // put the fitted values in Y, the derivatives in X. | 
|---|
| 135 |    Pred.Set(Parameters); | 
|---|
| 136 |    if (!Pred.IsValid()) { oorg=true; return; } | 
|---|
| 137 |    for (int i=1; i<=n_obs; i++) | 
|---|
| 138 |    { | 
|---|
| 139 |       Y(i) = Pred(i); | 
|---|
| 140 |       X.Row(i) = Pred.Derivatives(); | 
|---|
| 141 |    } | 
|---|
| 142 |    if (!Pred.IsValid()) { oorg=true; return; }  // check afterwards as well | 
|---|
| 143 |    Y = *DataPointer - Y; Real ssq = Y.SumSquare(); | 
|---|
| 144 |    errorvar =  ssq / (n_obs - n_param); | 
|---|
| 145 |    cout << "\n" << setw(15) << setprecision(10) << " " << errorvar; | 
|---|
| 146 |    Derivs = Y.t() * X;          // get the derivative and stash it | 
|---|
| 147 |    oorg = false; v = -0.5 * ssq; | 
|---|
| 148 | } | 
|---|
| 149 |  | 
|---|
| 150 | bool NonLinearLeastSquares::NextPoint(ColumnVector& Adj, Real& test) | 
|---|
| 151 | { | 
|---|
| 152 |    Tracer tr("NonLinearLeastSquares::NextPoint"); | 
|---|
| 153 |    QRZ(X, U); QRZ(X, Y, M);     // do the QR decomposition | 
|---|
| 154 |    test = M.SumSquare(); | 
|---|
| 155 |    cout << " " << setw(15) << setprecision(10) | 
|---|
| 156 |       << test << " " << Y.SumSquare() / (n_obs - n_param); | 
|---|
| 157 |    Adj = U.i() * M; | 
|---|
| 158 |    if (test < errorvar * criterion) return true; | 
|---|
| 159 |    else return false; | 
|---|
| 160 | } | 
|---|
| 161 |  | 
|---|
| 162 | Real NonLinearLeastSquares::LastDerivative(const ColumnVector& H) | 
|---|
| 163 | { return (Derivs * H).AsScalar(); } | 
|---|
| 164 |  | 
|---|
| 165 | void NonLinearLeastSquares::Fit(const ColumnVector& Data, | 
|---|
| 166 |    ColumnVector& Parameters) | 
|---|
| 167 | { | 
|---|
| 168 |    Tracer tr("NonLinearLeastSquares::Fit"); | 
|---|
| 169 |    n_param = Parameters.Nrows(); n_obs = Data.Nrows(); | 
|---|
| 170 |    DataPointer = &Data; | 
|---|
| 171 |    FindMaximum2::Fit(Parameters, Lim); | 
|---|
| 172 |    cout << "\nConverged\n"; | 
|---|
| 173 | } | 
|---|
| 174 |  | 
|---|
| 175 | void NonLinearLeastSquares::MakeCovariance() | 
|---|
| 176 | { | 
|---|
| 177 |    if (Covariance.Nrows()==0) | 
|---|
| 178 |    { | 
|---|
| 179 |       UpperTriangularMatrix UI = U.i(); | 
|---|
| 180 |       Covariance << UI * UI.t() * errorvar; | 
|---|
| 181 |       SE << Covariance;                 // get diagonals | 
|---|
| 182 |       for (int i = 1; i<=n_param; i++) SE(i) = sqrt(SE(i)); | 
|---|
| 183 |    } | 
|---|
| 184 | } | 
|---|
| 185 |  | 
|---|
| 186 | void NonLinearLeastSquares::GetStandardErrors(ColumnVector& SEX) | 
|---|
| 187 |    { MakeCovariance(); SEX = SE.AsColumn(); } | 
|---|
| 188 |  | 
|---|
| 189 | void NonLinearLeastSquares::GetCorrelations(SymmetricMatrix& Corr) | 
|---|
| 190 |    { MakeCovariance(); Corr << SE.i() * Covariance * SE.i(); } | 
|---|
| 191 |  | 
|---|
| 192 | void NonLinearLeastSquares::GetHatDiagonal(DiagonalMatrix& Hat) const | 
|---|
| 193 | { | 
|---|
| 194 |    Hat.ReSize(n_obs); | 
|---|
| 195 |    for (int i = 1; i<=n_obs; i++) Hat(i) = X.Row(i).SumSquare(); | 
|---|
| 196 | } | 
|---|
| 197 |  | 
|---|
| 198 |  | 
|---|
| 199 | // the MLE_D_FI routines | 
|---|
| 200 |  | 
|---|
| 201 | void MLE_D_FI::Value | 
|---|
| 202 |    (const ColumnVector& Parameters, bool wg, Real& v, bool& oorg) | 
|---|
| 203 | { | 
|---|
| 204 |    Tracer tr("MLE_D_FI::Value"); | 
|---|
| 205 |    if (!LL.IsValid(Parameters,wg)) { oorg=true; return; } | 
|---|
| 206 |    v = LL.LogLikelihood(); | 
|---|
| 207 |    if (!LL.IsValid()) { oorg=true; return; }     // check validity again | 
|---|
| 208 |    cout << "\n" << setw(20) << setprecision(10) << v; | 
|---|
| 209 |    oorg = false; | 
|---|
| 210 |    Derivs = LL.Derivatives();                    // Get derivatives | 
|---|
| 211 | } | 
|---|
| 212 |  | 
|---|
| 213 | bool MLE_D_FI::NextPoint(ColumnVector& Adj, Real& test) | 
|---|
| 214 | { | 
|---|
| 215 |    Tracer tr("MLE_D_FI::NextPoint"); | 
|---|
| 216 |    SymmetricMatrix FI = LL.FI(); | 
|---|
| 217 |    LT = Cholesky(FI); | 
|---|
| 218 |    ColumnVector Adj1 = LT.i() * Derivs; | 
|---|
| 219 |    Adj = LT.t().i() * Adj1; | 
|---|
| 220 |    test = SumSquare(Adj1); | 
|---|
| 221 |    cout << "   " << setw(20) << setprecision(10) << test; | 
|---|
| 222 |    return (test < Criterion); | 
|---|
| 223 | } | 
|---|
| 224 |  | 
|---|
| 225 | Real MLE_D_FI::LastDerivative(const ColumnVector& H) | 
|---|
| 226 | { return (Derivs.t() * H).AsScalar(); } | 
|---|
| 227 |  | 
|---|
| 228 | void MLE_D_FI::Fit(ColumnVector& Parameters) | 
|---|
| 229 | { | 
|---|
| 230 |    Tracer tr("MLE_D_FI::Fit"); | 
|---|
| 231 |    FindMaximum2::Fit(Parameters,Lim); | 
|---|
| 232 |    cout << "\nConverged\n"; | 
|---|
| 233 | } | 
|---|
| 234 |    | 
|---|
| 235 | void MLE_D_FI::MakeCovariance() | 
|---|
| 236 | { | 
|---|
| 237 |    if (Covariance.Nrows()==0) | 
|---|
| 238 |    { | 
|---|
| 239 |       LowerTriangularMatrix LTI = LT.i(); | 
|---|
| 240 |       Covariance << LTI.t() * LTI; | 
|---|
| 241 |       SE << Covariance;                // get diagonal | 
|---|
| 242 |       int n = Covariance.Nrows(); | 
|---|
| 243 |       for (int i=1; i <= n; i++) SE(i) = sqrt(SE(i)); | 
|---|
| 244 |    } | 
|---|
| 245 | } | 
|---|
| 246 |  | 
|---|
| 247 | void MLE_D_FI::GetStandardErrors(ColumnVector& SEX) | 
|---|
| 248 | { MakeCovariance(); SEX = SE.AsColumn(); } | 
|---|
| 249 |     | 
|---|
| 250 | void MLE_D_FI::GetCorrelations(SymmetricMatrix& Corr) | 
|---|
| 251 | { MakeCovariance(); Corr << SE.i() * Covariance * SE.i(); } | 
|---|
| 252 |  | 
|---|
| 253 |  | 
|---|
| 254 |  | 
|---|
| 255 | #ifdef use_namespace | 
|---|
| 256 | } | 
|---|
| 257 | #endif | 
|---|
| 258 |  | 
|---|