]> Creatis software - CreaPhase.git/blobdiff - octave_packages/m/optimization/lsqnonneg.m
update packages
[CreaPhase.git] / octave_packages / m / optimization / lsqnonneg.m
diff --git a/octave_packages/m/optimization/lsqnonneg.m b/octave_packages/m/optimization/lsqnonneg.m
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0b1524b
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,211 @@
+## Copyright (C) 2008-2012 Bill Denney
+## Copyright (C) 2008 Jaroslav Hajek
+## Copyright (C) 2009 VZLU Prague
+##
+## This file is part of Octave.
+##
+## Octave is free software; you can redistribute it and/or modify it
+## under the terms of the GNU General Public License as published by
+## the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at
+## your option) any later version.
+##
+## Octave is distributed in the hope that it will be useful, but
+## WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+## MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+## General Public License for more details.
+##
+## You should have received a copy of the GNU General Public License
+## along with Octave; see the file COPYING.  If not, see
+## <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+## -*- texinfo -*-
+## @deftypefn  {Function File} {@var{x} =} lsqnonneg (@var{c}, @var{d})
+## @deftypefnx {Function File} {@var{x} =} lsqnonneg (@var{c}, @var{d}, @var{x0})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{x}, @var{resnorm}] =} lsqnonneg (@dots{})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{x}, @var{resnorm}, @var{residual}] =} lsqnonneg (@dots{})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{x}, @var{resnorm}, @var{residual}, @var{exitflag}] =} lsqnonneg (@dots{})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{x}, @var{resnorm}, @var{residual}, @var{exitflag}, @var{output}] =} lsqnonneg (@dots{})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{x}, @var{resnorm}, @var{residual}, @var{exitflag}, @var{output}, @var{lambda}] =} lsqnonneg (@dots{})
+## Minimize @code{norm (@var{c}*@var{x} - d)} subject to
+## @code{@var{x} >= 0}.  @var{c} and @var{d} must be real.  @var{x0} is an
+## optional initial guess for @var{x}.
+##
+## Outputs:
+## @itemize @bullet
+## @item resnorm
+##
+## The squared 2-norm of the residual: norm(@var{c}*@var{x}-@var{d})^2
+##
+## @item residual
+##
+## The residual: @var{d}-@var{c}*@var{x}
+##
+## @item exitflag
+##
+## An indicator of convergence.  0 indicates that the iteration count
+## was exceeded, and therefore convergence was not reached; >0 indicates
+## that the algorithm converged.  (The algorithm is stable and will
+## converge given enough iterations.)
+##
+## @item output
+##
+## A structure with two fields:
+## @itemize @bullet
+## @item "algorithm": The algorithm used ("nnls")
+##
+## @item "iterations": The number of iterations taken.
+## @end itemize
+##
+## @item lambda
+##
+## Not implemented.
+## @end itemize
+## @seealso{optimset, pqpnonneg}
+## @end deftypefn
+
+## PKG_ADD: ## Discard result to avoid polluting workspace with ans at startup.
+## PKG_ADD: [~] = __all_opts__ ("lsqnonneg");
+
+## This is implemented from Lawson and Hanson's 1973 algorithm on page
+## 161 of Solving Least Squares Problems.
+
+function [x, resnorm, residual, exitflag, output, lambda] = lsqnonneg (c, d, x = [], options = struct ())
+
+  if (nargin == 1 && ischar (c) && strcmp (c, 'defaults'))
+    x = optimset ("MaxIter", 1e5);
+    return
+  endif
+
+  if (! (nargin >= 2 && nargin <= 4 && ismatrix (c) && ismatrix (d) && isstruct (options)))
+    print_usage ();
+  endif
+
+  ## Lawson-Hanson Step 1 (LH1): initialize the variables.
+  m = rows (c);
+  n = columns (c);
+  if (isempty (x))
+    ## Initial guess is 0s.
+    x = zeros (n, 1);
+  else
+    ## ensure nonnegative guess.
+    x = max (x, 0);
+  endif
+
+  useqr = m >= n;
+  max_iter = optimget (options, "MaxIter", 1e5);
+
+  ## Initialize P, according to zero pattern of x.
+  p = find (x > 0).';
+  if (useqr)
+    ## Initialize the QR factorization, economized form.
+    [q, r] = qr (c(:,p), 0);
+  endif
+
+  iter = 0;
+
+  ## LH3: test for completion.
+  while (iter < max_iter)
+    while (iter < max_iter)
+      iter++;
+
+      ## LH6: compute the positive matrix and find the min norm solution
+      ## of the positive problem.
+      if (useqr)
+        xtmp = r \ q'*d;
+      else
+        xtmp = c(:,p) \ d;
+      endif
+      idx = find (xtmp < 0);
+
+      if (isempty (idx))
+        ## LH7: tmp solution found, iterate.
+        x(:) = 0;
+        x(p) = xtmp;
+        break;
+      else
+        ## LH8, LH9: find the scaling factor.
+        pidx = p(idx);
+        sf = x(pidx)./(x(pidx) - xtmp(idx));
+        alpha = min (sf);
+        ## LH10: adjust X.
+        xx = zeros (n, 1);
+        xx(p) = xtmp;
+        x += alpha*(xx - x);
+        ## LH11: move from P to Z all X == 0.
+        ## This corresponds to those indices where minimum of sf is attained.
+        idx = idx (sf == alpha);
+        p(idx) = [];
+        if (useqr)
+          ## update the QR factorization.
+          [q, r] = qrdelete (q, r, idx);
+        endif
+      endif
+    endwhile
+
+    ## compute the gradient.
+    w = c'*(d - c*x);
+    w(p) = [];
+    if (! any (w > 0))
+      if (useqr)
+        ## verify the solution achieved using qr updating.
+        ## in the best case, this should only take a single step.
+        useqr = false;
+        continue;
+      else
+        ## we're finished.
+        break;
+      endif
+    endif
+
+    ## find the maximum gradient.
+    idx = find (w == max (w));
+    if (numel (idx) > 1)
+      warning ("lsqnonneg:nonunique",
+               "a non-unique solution may be returned due to equal gradients");
+      idx = idx(1);
+    endif
+    ## move the index from Z to P. Keep P sorted.
+    z = [1:n]; z(p) = [];
+    zidx = z(idx);
+    jdx = 1 + lookup (p, zidx);
+    p = [p(1:jdx-1), zidx, p(jdx:end)];
+    if (useqr)
+      ## insert the column into the QR factorization.
+      [q, r] = qrinsert (q, r, jdx, c(:,zidx));
+    endif
+
+  endwhile
+  ## LH12: complete.
+
+  ## Generate the additional output arguments.
+  if (nargout > 1)
+    resnorm = norm (c*x - d) ^ 2;
+  endif
+  if (nargout > 2)
+    residual = d - c*x;
+  endif
+  exitflag = iter;
+  if (nargout > 3 && iter >= max_iter)
+    exitflag = 0;
+  endif
+  if (nargout > 4)
+    output = struct ("algorithm", "nnls", "iterations", iter);
+  endif
+  if (nargout > 5)
+    lambda = zeros (size (x));
+    lambda(p) = w;
+  endif
+
+endfunction
+
+## Tests
+%!test
+%! C = [1 0;0 1;2 1];
+%! d = [1;3;-2];
+%! assert (lsqnonneg (C, d), [0;0.5], 100*eps)
+
+%!test
+%! C = [0.0372 0.2869;0.6861 0.7071;0.6233 0.6245;0.6344 0.6170];
+%! d = [0.8587;0.1781;0.0747;0.8405];
+%! xnew = [0;0.6929];
+%! assert (lsqnonneg (C, d), xnew, 0.0001)