| 1 | /* ======================================================================== *\
|
|---|
| 2 | !
|
|---|
| 3 | ! *
|
|---|
| 4 | ! * This file is part of MARS, the MAGIC Analysis and Reconstruction
|
|---|
| 5 | ! * Software. It is distributed to you in the hope that it can be a useful
|
|---|
| 6 | ! * and timesaving tool in analysing Data of imaging Cerenkov telescopes.
|
|---|
| 7 | ! * It is distributed WITHOUT ANY WARRANTY.
|
|---|
| 8 | ! *
|
|---|
| 9 | ! * Permission to use, copy, modify and distribute this software and its
|
|---|
| 10 | ! * documentation for any purpose is hereby granted without fee,
|
|---|
| 11 | ! * provided that the above copyright notice appear in all copies and
|
|---|
| 12 | ! * that both that copyright notice and this permission notice appear
|
|---|
| 13 | ! * in supporting documentation. It is provided "as is" without express
|
|---|
| 14 | ! * or implied warranty.
|
|---|
| 15 | ! *
|
|---|
| 16 | !
|
|---|
| 17 | !
|
|---|
| 18 | ! Author(s): Wolfgang Wittek 10/2003 <mailto:wittek@mppmu.mpg.de>
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|---|
| 19 | !
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|---|
| 20 | ! Copyright: MAGIC Software Development, 2000-2003
|
|---|
| 21 | !
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|---|
| 22 | !
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|---|
| 23 | \* ======================================================================== */
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|---|
| 24 |
|
|---|
| 25 | /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
|
|---|
| 26 | // //
|
|---|
| 27 | // MMarquardt //
|
|---|
| 28 | // //
|
|---|
| 29 | // Marquardt method of solving nonlinear least-squares problems //
|
|---|
| 30 | // //
|
|---|
| 31 | // (see Numerical recipes (2nd ed.), W.H.Press et al., p.688 ff) //
|
|---|
| 32 | // //
|
|---|
| 33 | /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
|
|---|
| 34 | #include "MMarquardt.h"
|
|---|
| 35 |
|
|---|
| 36 | #include <math.h> // fabs
|
|---|
| 37 |
|
|---|
| 38 | #include <TVectorD.h>
|
|---|
| 39 | #include <TMatrixD.h>
|
|---|
| 40 |
|
|---|
| 41 | #include <TStopwatch.h>
|
|---|
| 42 |
|
|---|
| 43 | #include "MLog.h"
|
|---|
| 44 | #include "MLogManip.h"
|
|---|
| 45 | #include "MParContainer.h"
|
|---|
| 46 |
|
|---|
| 47 | ClassImp(MMarquardt);
|
|---|
| 48 |
|
|---|
| 49 | using namespace std;
|
|---|
| 50 |
|
|---|
| 51 |
|
|---|
| 52 | // --------------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 53 | //
|
|---|
| 54 | // Default constructor.
|
|---|
| 55 | //
|
|---|
| 56 | MMarquardt::MMarquardt(const char *name, const char *title)
|
|---|
| 57 | {
|
|---|
| 58 | fName = name ? name : "MMarquardt";
|
|---|
| 59 | fTitle = title ? title : "Marquardt minimization";
|
|---|
| 60 | }
|
|---|
| 61 |
|
|---|
| 62 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 63 | //
|
|---|
| 64 | // Set - the number of parameters
|
|---|
| 65 | // - the maximum number of steps allowed in the minimization and
|
|---|
| 66 | // - the change in chi2 signaling convergence
|
|---|
| 67 |
|
|---|
| 68 | void MMarquardt::SetNpar(Int_t numpar, Int_t numstepmax, Double_t loopchi2)
|
|---|
| 69 | {
|
|---|
| 70 | fNpar = numpar;
|
|---|
| 71 | fNumStepMax = numstepmax;
|
|---|
| 72 | fLoopChi2 = loopchi2;
|
|---|
| 73 |
|
|---|
| 74 | fdParam.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 75 |
|
|---|
| 76 | fParam.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 77 | fGrad.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 78 | fCovar.ResizeTo(fNpar, fNpar);
|
|---|
| 79 |
|
|---|
| 80 | fmyParam.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 81 | fmyGrad.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 82 | fmyCovar.ResizeTo(fNpar, fNpar);
|
|---|
| 83 |
|
|---|
| 84 | fIxc.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 85 | fIxr.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 86 | fIp.ResizeTo(fNpar);
|
|---|
| 87 | }
|
|---|
| 88 |
|
|---|
| 89 |
|
|---|
| 90 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 91 | //
|
|---|
| 92 | // do the minimization
|
|---|
| 93 | //
|
|---|
| 94 | // fcn is the function which calculates for a given set of parameters
|
|---|
| 95 | // - the function L to be minimized
|
|---|
| 96 | // - beta_k = -1/2 * dL/da_k (a kind of gradient of L)
|
|---|
| 97 | // - alfa_kl = 1/2 * dL/(da_k da_l) (a kind of 2nd derivative of L)
|
|---|
| 98 | //
|
|---|
| 99 | // Vinit contains the starting values of the parameters
|
|---|
| 100 | //
|
|---|
| 101 |
|
|---|
| 102 | Int_t MMarquardt::Loop(
|
|---|
| 103 | Bool_t (*fcn)(TVectorD &, TMatrixD &, TVectorD &, Double_t &),
|
|---|
| 104 | TVectorD &Vinit)
|
|---|
| 105 | {
|
|---|
| 106 | fFunc = fcn;
|
|---|
| 107 |
|
|---|
| 108 | // set the initial parameter values
|
|---|
| 109 | for (Int_t i=0; i<fNpar; i++)
|
|---|
| 110 | fParam(i) = Vinit(i);
|
|---|
| 111 |
|
|---|
| 112 | //-------------------------------------------
|
|---|
| 113 | // first call of the function func
|
|---|
| 114 | Bool_t rcfirst = FirstCall();
|
|---|
| 115 | if (!rcfirst)
|
|---|
| 116 | {
|
|---|
| 117 | *fLog << "MMarquardt::Loop; first call of function failed " << endl;
|
|---|
| 118 | return -1;
|
|---|
| 119 | }
|
|---|
| 120 |
|
|---|
| 121 | Double_t oldChi2 = fChi2;
|
|---|
| 122 | Double_t fdChi2 = 1.e10;
|
|---|
| 123 | Int_t fNumStep = 0;
|
|---|
| 124 |
|
|---|
| 125 | //-------------------------------------------
|
|---|
| 126 | // do the next step in the minimization
|
|---|
| 127 | Bool_t rcnext;
|
|---|
| 128 | do
|
|---|
| 129 | {
|
|---|
| 130 | fNumStep++;
|
|---|
| 131 |
|
|---|
| 132 | rcnext = NextStep();
|
|---|
| 133 | if (!rcnext) break;
|
|---|
| 134 |
|
|---|
| 135 | fdChi2 = fabs(oldChi2-fChi2);
|
|---|
| 136 | oldChi2 = fChi2;
|
|---|
| 137 | } while (fdChi2 > fLoopChi2 && fNumStep < fNumStepMax);
|
|---|
| 138 |
|
|---|
| 139 | //-------------------------------------------
|
|---|
| 140 | // do the final calculations
|
|---|
| 141 | if (!rcnext)
|
|---|
| 142 | {
|
|---|
| 143 | *fLog << "MMarquardt::Loop; function call failed in step " << fNumStep
|
|---|
| 144 | << endl;
|
|---|
| 145 | return -2;
|
|---|
| 146 | }
|
|---|
| 147 |
|
|---|
| 148 | if (fdChi2 > fLoopChi2)
|
|---|
| 149 | {
|
|---|
| 150 | *fLog << "MMarquardt::Loop; minimization has not converged, fChi2, fdChi2 = "
|
|---|
| 151 | << fChi2 << ", " << fdChi2 << endl;
|
|---|
| 152 | return -3;
|
|---|
| 153 | }
|
|---|
| 154 |
|
|---|
| 155 | *fLog << "MMarquardt::Loop; minimization has converged, fChi2, fdChi2, fNumStep = "
|
|---|
| 156 | << fChi2 << ", " << fdChi2 << ", " << fNumStep << endl;
|
|---|
| 157 |
|
|---|
| 158 |
|
|---|
| 159 | Bool_t rccov = CovMatrix();
|
|---|
| 160 | if (!rccov)
|
|---|
| 161 | {
|
|---|
| 162 | *fLog << "MMarquardt::Loop; calculation of covariance matrix failed "
|
|---|
| 163 | << endl;
|
|---|
| 164 | return 1;
|
|---|
| 165 | }
|
|---|
| 166 |
|
|---|
| 167 | //-------------------------------------------
|
|---|
| 168 | // results
|
|---|
| 169 |
|
|---|
| 170 | *fLog << "MMarquardt::Loop; Results of fit : fChi2, fNumStep, fdChi2 ="
|
|---|
| 171 | << fChi2 << ", " << fNumStep << ", " << fdChi2 << endl;
|
|---|
| 172 |
|
|---|
| 173 | for (Int_t i=0; i<fNpar; i++)
|
|---|
| 174 | fdParam(i) = sqrt(fCovar(i,i));
|
|---|
| 175 |
|
|---|
| 176 | *fLog << "MMarquardt::Loop; i, Param(i), dParam(i)" << endl;
|
|---|
| 177 | for (Int_t i=0; i<fNpar; i++)
|
|---|
| 178 | {
|
|---|
| 179 | *fLog << i << " " << fParam(i) << " " << fdParam(i) << endl;
|
|---|
| 180 | }
|
|---|
| 181 |
|
|---|
| 182 | *fLog << "MMarquardt::Loop; Covariance matrix" << endl;
|
|---|
| 183 | for (Int_t i=0; i<fNpar; i++)
|
|---|
| 184 | {
|
|---|
| 185 | *fLog << i;
|
|---|
| 186 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 187 | {
|
|---|
| 188 | *fLog << fCovar(i,j) << " ";
|
|---|
| 189 | }
|
|---|
| 190 | *fLog << endl;
|
|---|
| 191 | }
|
|---|
| 192 |
|
|---|
| 193 | return 0;
|
|---|
| 194 | }
|
|---|
| 195 |
|
|---|
| 196 |
|
|---|
| 197 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 198 | //
|
|---|
| 199 | // do 1st step of the minimization
|
|---|
| 200 | //
|
|---|
| 201 |
|
|---|
| 202 | Bool_t MMarquardt::FirstCall()
|
|---|
| 203 | {
|
|---|
| 204 | fLambda = 0.001;
|
|---|
| 205 | Bool_t rc = (*fFunc)(fParam, fCovar, fGrad, fChi2);
|
|---|
| 206 | if (!rc) return kFALSE;
|
|---|
| 207 |
|
|---|
| 208 | fCHIq = fChi2;
|
|---|
| 209 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 210 | fmyParam(j) = fParam(j);
|
|---|
| 211 |
|
|---|
| 212 | return kTRUE;
|
|---|
| 213 | }
|
|---|
| 214 |
|
|---|
| 215 |
|
|---|
| 216 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 217 | //
|
|---|
| 218 | // do one step of the minimization
|
|---|
| 219 | //
|
|---|
| 220 |
|
|---|
| 221 | Bool_t MMarquardt::NextStep()
|
|---|
| 222 | {
|
|---|
| 223 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 224 | {
|
|---|
| 225 | for (Int_t k=0; k<fNpar; k++)
|
|---|
| 226 | fmyCovar(j,k) = fCovar(j,k);
|
|---|
| 227 |
|
|---|
| 228 | fmyCovar(j,j) *= (1.0 + fLambda);
|
|---|
| 229 | fmyGrad(j) = fGrad(j);
|
|---|
| 230 | }
|
|---|
| 231 |
|
|---|
| 232 | Bool_t rgj = GaussJordan(fNpar, fmyCovar, fmyGrad);
|
|---|
| 233 | if(!rgj) return kFALSE;
|
|---|
| 234 |
|
|---|
| 235 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 236 | fmyParam(j) = fParam(j) + fmyGrad(j);
|
|---|
| 237 |
|
|---|
| 238 | Bool_t rc = (*fFunc)(fmyParam, fmyCovar, fmyGrad, fChi2);
|
|---|
| 239 | if(!rc) return kFALSE;
|
|---|
| 240 |
|
|---|
| 241 | if (fChi2 < fCHIq)
|
|---|
| 242 | {
|
|---|
| 243 | fLambda *= 0.1;
|
|---|
| 244 | fCHIq = fChi2;
|
|---|
| 245 |
|
|---|
| 246 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 247 | {
|
|---|
| 248 | for (Int_t k=0; k<fNpar; k++)
|
|---|
| 249 | fCovar(j,k) = fmyCovar(j,k);
|
|---|
| 250 |
|
|---|
| 251 | fGrad(j) = fmyGrad(j);
|
|---|
| 252 | fParam(j) = fmyParam(j);
|
|---|
| 253 | }
|
|---|
| 254 | }
|
|---|
| 255 | else
|
|---|
| 256 | fLambda *= 10.0;
|
|---|
| 257 |
|
|---|
| 258 |
|
|---|
| 259 | return kTRUE;
|
|---|
| 260 | }
|
|---|
| 261 |
|
|---|
| 262 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 263 | //
|
|---|
| 264 | // calculate error matrix of fitted parameters
|
|---|
| 265 | //
|
|---|
| 266 |
|
|---|
| 267 | Bool_t MMarquardt::CovMatrix()
|
|---|
| 268 | {
|
|---|
| 269 | Bool_t rc = (*fFunc)(fParam, fCovar, fGrad, fChi2);
|
|---|
| 270 | if(!rc) return kFALSE;
|
|---|
| 271 |
|
|---|
| 272 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 273 | {
|
|---|
| 274 | for (Int_t k=0; k<fNpar; k++)
|
|---|
| 275 | fmyCovar(j,k) = fCovar(j,k);
|
|---|
| 276 |
|
|---|
| 277 | fmyCovar(j,j) *= (1.0 + fLambda);
|
|---|
| 278 | fmyGrad(j) = fGrad(j);
|
|---|
| 279 | }
|
|---|
| 280 |
|
|---|
| 281 | Bool_t rgj = GaussJordan(fNpar, fmyCovar, fmyGrad);
|
|---|
| 282 | if(!rgj) return kFALSE;
|
|---|
| 283 |
|
|---|
| 284 | for (Int_t j=0; j<fNpar; j++)
|
|---|
| 285 | {
|
|---|
| 286 | for (Int_t k=0; k<fNpar; k++)
|
|---|
| 287 | fCovar(j,k) = fmyCovar(j,k);
|
|---|
| 288 | }
|
|---|
| 289 |
|
|---|
| 290 | return kTRUE;
|
|---|
| 291 | }
|
|---|
| 292 |
|
|---|
| 293 | // -----------------------------------------------------------------------
|
|---|
| 294 | //
|
|---|
| 295 | // solve normal equations
|
|---|
| 296 | //
|
|---|
| 297 | // sum(covar_kl * x_l) = beta_k (k=0,... (n-1))
|
|---|
| 298 | //
|
|---|
| 299 | // by the Gauss-Jordan method
|
|---|
| 300 | // (see Numerical recipes (2nd ed.), W.H.Press et al., p.39)
|
|---|
| 301 | //
|
|---|
| 302 | // on return : covar contains the inverse of the input matrix covar
|
|---|
| 303 | // beta contains the result for x
|
|---|
| 304 | //
|
|---|
| 305 | // return value = kTRUE means OK
|
|---|
| 306 | // kFALSE means singular matrix
|
|---|
| 307 | //
|
|---|
| 308 |
|
|---|
| 309 | Bool_t MMarquardt::GaussJordan(Int_t &n, TMatrixD &covar, TVectorD &beta)
|
|---|
| 310 | {
|
|---|
| 311 | Int_t i, j, k, l, ll;
|
|---|
| 312 | Int_t ic = 0;
|
|---|
| 313 | Int_t ir = 0;
|
|---|
| 314 | Double_t h, d, p;
|
|---|
| 315 |
|
|---|
| 316 | for (j=0; j<n; j++)
|
|---|
| 317 | fIp(j) = 0;
|
|---|
| 318 |
|
|---|
| 319 | for (i=0; i<n; i++)
|
|---|
| 320 | {
|
|---|
| 321 | h = 0.0;
|
|---|
| 322 | for (j=0; j<n; j++)
|
|---|
| 323 | {
|
|---|
| 324 | if (fIp(j) != 1)
|
|---|
| 325 | {
|
|---|
| 326 | for (k=0; k<n; k++)
|
|---|
| 327 | {
|
|---|
| 328 | if (fIp(k) == 0)
|
|---|
| 329 | {
|
|---|
| 330 | if (fabs(covar(j,k)) >= h)
|
|---|
| 331 | {
|
|---|
| 332 | h = fabs(covar(j,k));
|
|---|
| 333 | ir = j;
|
|---|
| 334 | ic = k;
|
|---|
| 335 | }
|
|---|
| 336 | }
|
|---|
| 337 | else
|
|---|
| 338 | {
|
|---|
| 339 | if (fIp(k) > 1) return kFALSE;
|
|---|
| 340 | }
|
|---|
| 341 | }
|
|---|
| 342 | }
|
|---|
| 343 | }
|
|---|
| 344 |
|
|---|
| 345 | fIp(ic)++;
|
|---|
| 346 | if (ir != ic)
|
|---|
| 347 | {
|
|---|
| 348 | for (l=0; l<n; l++)
|
|---|
| 349 | {
|
|---|
| 350 | d = covar(ir,l);
|
|---|
| 351 | covar(ir,l) = covar(ic,l);
|
|---|
| 352 | covar(ic,l) = d;
|
|---|
| 353 | }
|
|---|
| 354 | d = beta(ir);
|
|---|
| 355 | beta(ir) = beta(ic);
|
|---|
| 356 | beta(ic) = d;
|
|---|
| 357 | }
|
|---|
| 358 |
|
|---|
| 359 | fIxr(i) = ir;
|
|---|
| 360 | fIxc(i) = ic;
|
|---|
| 361 | if (covar(ic,ic) == 0.0) return kFALSE;
|
|---|
| 362 | p = 1.0 / covar(ic,ic);
|
|---|
| 363 | covar(ic,ic) = 1.0;
|
|---|
| 364 |
|
|---|
| 365 | for (l=0; l<n; l++)
|
|---|
| 366 | covar(ic,l) *= p;
|
|---|
| 367 |
|
|---|
| 368 | beta(ic) *= p;
|
|---|
| 369 |
|
|---|
| 370 | for (ll=0; ll<n; ll++)
|
|---|
| 371 | {
|
|---|
| 372 | if (ll!= ic)
|
|---|
| 373 | {
|
|---|
| 374 | d = covar(ll,ic);
|
|---|
| 375 | covar(ll,ic) = 0.0;
|
|---|
| 376 |
|
|---|
| 377 | for (l=0; l<n; l++)
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|---|
| 378 | covar(ll,l) -= covar(ic,l) * d;
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|---|
| 379 |
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|---|
| 380 | beta(ll) -= beta(ic) * d;
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|---|
| 381 | }
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|---|
| 382 | }
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|---|
| 383 | }
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|---|
| 384 |
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|---|
| 385 | for (l=n-1; l>=0; l--)
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| 386 | {
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|---|
| 387 | if (fIxr(l) != fIxc(l))
|
|---|
| 388 | {
|
|---|
| 389 | for (k=0; k<n; k++)
|
|---|
| 390 | {
|
|---|
| 391 | d = covar(k,fIxr(l));
|
|---|
| 392 | covar(k,fIxr(l)) = covar(k,fIxc(l));
|
|---|
| 393 | covar(k,fIxc(l)) = d;
|
|---|
| 394 | }
|
|---|
| 395 | }
|
|---|
| 396 | }
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|---|
| 397 |
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|---|
| 398 | return kTRUE;
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|---|
| 399 | }
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