~ubuntu-branches/ubuntu/karmic/commons-math/karmic

« back to all changes in this revision

Viewing changes to src/java/org/apache/commons/math/estimation/GaussNewtonEstimator.java

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Damien Raude-Morvan
  • Date: 2009-03-15 20:20:21 UTC
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20090315202021-zto3nmvqgcf3ami4
Tags: upstream-1.2
ImportĀ upstreamĀ versionĀ 1.2

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
 
1
/*
 
2
 * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
 
3
 * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
 
4
 * this work for additional information regarding copyright ownership.
 
5
 * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
 
6
 * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
 
7
 * the License.  You may obtain a copy of the License at
 
8
 *
 
9
 *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 
10
 *
 
11
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 
12
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 
13
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 
14
 * See the License for the specific language governing permissions and
 
15
 * limitations under the License.
 
16
 */
 
17
 
 
18
package org.apache.commons.math.estimation;
 
19
 
 
20
import java.io.Serializable;
 
21
 
 
22
import org.apache.commons.math.linear.InvalidMatrixException;
 
23
import org.apache.commons.math.linear.RealMatrix;
 
24
import org.apache.commons.math.linear.RealMatrixImpl;
 
25
 
 
26
/** 
 
27
 * This class implements a solver for estimation problems.
 
28
 *
 
29
 * <p>This class solves estimation problems using a weighted least
 
30
 * squares criterion on the measurement residuals. It uses a
 
31
 * Gauss-Newton algorithm.</p>
 
32
 *
 
33
 * @version $Revision: 627987 $ $Date: 2008-02-15 03:01:26 -0700 (Fri, 15 Feb 2008) $
 
34
 * @since 1.2
 
35
 *
 
36
 */
 
37
 
 
38
public class GaussNewtonEstimator extends AbstractEstimator implements Serializable {
 
39
 
 
40
    /** 
 
41
     * Simple constructor.
 
42
     *
 
43
     * <p>This constructor builds an estimator and stores its convergence
 
44
     * characteristics.</p>
 
45
     *
 
46
     * <p>An estimator is considered to have converged whenever either
 
47
     * the criterion goes below a physical threshold under which
 
48
     * improvements are considered useless or when the algorithm is
 
49
     * unable to improve it (even if it is still high). The first
 
50
     * condition that is met stops the iterations.</p>
 
51
     *
 
52
     * <p>The fact an estimator has converged does not mean that the
 
53
     * model accurately fits the measurements. It only means no better
 
54
     * solution can be found, it does not mean this one is good. Such an
 
55
     * analysis is left to the caller.</p>
 
56
     *
 
57
     * <p>If neither conditions are fulfilled before a given number of
 
58
     * iterations, the algorithm is considered to have failed and an
 
59
     * {@link EstimationException} is thrown.</p>
 
60
     *
 
61
     * @param maxCostEval maximal number of cost evaluations allowed
 
62
     * @param convergence criterion threshold below which we do not need
 
63
     * to improve the criterion anymore
 
64
     * @param steadyStateThreshold steady state detection threshold, the
 
65
     * problem has converged has reached a steady state if
 
66
     * <code>Math.abs (Jn - Jn-1) < Jn * convergence</code>, where
 
67
     * <code>Jn</code> and <code>Jn-1</code> are the current and
 
68
     * preceding criterion value (square sum of the weighted residuals
 
69
     * of considered measurements).
 
70
     */
 
71
    public GaussNewtonEstimator(int maxCostEval,
 
72
            double convergence,
 
73
            double steadyStateThreshold) {
 
74
        setMaxCostEval(maxCostEval);
 
75
        this.steadyStateThreshold = steadyStateThreshold;
 
76
        this.convergence          = convergence;
 
77
    }
 
78
 
 
79
    /** 
 
80
     * Solve an estimation problem using a least squares criterion.
 
81
     *
 
82
     * <p>This method set the unbound parameters of the given problem
 
83
     * starting from their current values through several iterations. At
 
84
     * each step, the unbound parameters are changed in order to
 
85
     * minimize a weighted least square criterion based on the
 
86
     * measurements of the problem.</p>
 
87
     *
 
88
     * <p>The iterations are stopped either when the criterion goes
 
89
     * below a physical threshold under which improvement are considered
 
90
     * useless or when the algorithm is unable to improve it (even if it
 
91
     * is still high). The first condition that is met stops the
 
92
     * iterations. If the convergence it nos reached before the maximum
 
93
     * number of iterations, an {@link EstimationException} is
 
94
     * thrown.</p>
 
95
     *
 
96
     * @param problem estimation problem to solve
 
97
     * @exception EstimationException if the problem cannot be solved
 
98
     *
 
99
     * @see EstimationProblem
 
100
     *
 
101
     */
 
102
    public void estimate(EstimationProblem problem)
 
103
    throws EstimationException {
 
104
 
 
105
        initializeEstimate(problem);
 
106
 
 
107
        // work matrices
 
108
        double[] grad             = new double[parameters.length];
 
109
        RealMatrixImpl bDecrement = new RealMatrixImpl(parameters.length, 1);
 
110
        double[][] bDecrementData = bDecrement.getDataRef();
 
111
        RealMatrixImpl wGradGradT = new RealMatrixImpl(parameters.length, parameters.length);
 
112
        double[][] wggData        = wGradGradT.getDataRef();
 
113
 
 
114
        // iterate until convergence is reached
 
115
        double previous = Double.POSITIVE_INFINITY;
 
116
        do {
 
117
 
 
118
            // build the linear problem
 
119
            incrementJacobianEvaluationsCounter();
 
120
            RealMatrix b = new RealMatrixImpl(parameters.length, 1);
 
121
            RealMatrix a = new RealMatrixImpl(parameters.length, parameters.length);
 
122
            for (int i = 0; i < measurements.length; ++i) {
 
123
                if (! measurements [i].isIgnored()) {
 
124
 
 
125
                    double weight   = measurements[i].getWeight();
 
126
                    double residual = measurements[i].getResidual();
 
127
 
 
128
                    // compute the normal equation
 
129
                    for (int j = 0; j < parameters.length; ++j) {
 
130
                        grad[j] = measurements[i].getPartial(parameters[j]);
 
131
                        bDecrementData[j][0] = weight * residual * grad[j];
 
132
                    }
 
133
 
 
134
                    // build the contribution matrix for measurement i
 
135
                    for (int k = 0; k < parameters.length; ++k) {
 
136
                        double[] wggRow = wggData[k];
 
137
                        double gk = grad[k];
 
138
                        for (int l = 0; l < parameters.length; ++l) {
 
139
                            wggRow[l] =  weight * gk * grad[l];
 
140
                        }
 
141
                    }
 
142
 
 
143
                    // update the matrices
 
144
                    a = a.add(wGradGradT);
 
145
                    b = b.add(bDecrement);
 
146
 
 
147
                }
 
148
            }
 
149
 
 
150
            try {
 
151
 
 
152
                // solve the linearized least squares problem
 
153
                RealMatrix dX = a.solve(b);
 
154
 
 
155
                // update the estimated parameters
 
156
                for (int i = 0; i < parameters.length; ++i) {
 
157
                    parameters[i].setEstimate(parameters[i].getEstimate() + dX.getEntry(i, 0));
 
158
                }
 
159
 
 
160
            } catch(InvalidMatrixException e) {
 
161
                throw new EstimationException("unable to solve: singular problem", new Object[0]);
 
162
            }
 
163
 
 
164
 
 
165
            previous = cost;
 
166
            updateResidualsAndCost();
 
167
 
 
168
        } while ((getCostEvaluations() < 2) ||
 
169
                 (Math.abs(previous - cost) > (cost * steadyStateThreshold) &&
 
170
                  (Math.abs(cost) > convergence)));
 
171
 
 
172
    }
 
173
 
 
174
    /** Threshold for cost steady state detection. */
 
175
    private double steadyStateThreshold;
 
176
 
 
177
    /** Threshold for cost convergence. */
 
178
    private double convergence;
 
179
 
 
180
    /** Serializable version identifier */
 
181
     private static final long serialVersionUID = 5485001826076289109L;
 
182
 
 
183
}