]> Creatis software - CreaPhase.git/blobdiff - octave_packages/optim-1.2.0/d2_min.m
Add a useful package (from Source forge) for octave
[CreaPhase.git] / octave_packages / optim-1.2.0 / d2_min.m
diff --git a/octave_packages/optim-1.2.0/d2_min.m b/octave_packages/optim-1.2.0/d2_min.m
new file mode 100644 (file)
index 0000000..befda03
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,393 @@
+## Copyright (C) 2002 Etienne Grossmann <etienne@egdn.net>
+##
+## This program 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.
+##
+## This program 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
+## this program; if not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+## [x,v,nev,h,args] = d2_min(f,d2f,args,ctl,code) - Newton-like minimization
+##
+## Minimize f(x) using 1st and 2nd derivatives. Any function w/ second
+## derivatives can be minimized, as in Newton. f(x) decreases at each
+## iteration, as in Levenberg-Marquardt. This function is inspired from the
+## Levenberg-Marquardt algorithm found in the book "Numerical Recipes".
+##
+## ARGUMENTS :
+## f    : string : Cost function's name
+##
+## d2f  : string : Name of function returning the cost (1x1), its
+##                 differential (1xN) and its second differential or it's
+##                 pseudo-inverse (NxN) (see ctl(5) below) :
+##
+##                 [v,dv,d2v] = d2f (x).
+##
+## args : list   : f and d2f's arguments. By default, minimize the 1st
+##     or matrix : argument.
+##
+## ctl  : vector : Control arguments (see below)
+##      or struct
+##
+## code : string : code will be evaluated after each outer loop that
+##                 produced some (any) improvement. Variables visible from
+##                 "code" include "x", the best parameter found, "v" the
+##                 best value and "args", the list of all arguments. All can
+##                 be modified. This option can be used to re-parameterize 
+##                 the argument space during optimization
+##
+## CONTROL VARIABLE ctl : (optional). May be a struct or a vector of length
+## ---------------------- 5 or less where NaNs are ignored. Default values
+##                        are written <value>.
+## FIELD  VECTOR
+## NAME    POS
+##
+## ftol, f N/A    : Stop search when value doesn't improve, as tested by
+##
+##                   f > Deltaf/max(|f(x)|,1)
+##
+##             where Deltaf is the decrease in f observed in the last
+##             iteration.                                     <10*sqrt(eps)>
+##
+## utol, u N/A    : Stop search when updates are small, as tested by
+##
+##                   u > max { dx(i)/max(|x(i)|,1) | i in 1..N }
+##
+##             where  dx is the change in the x that occured in the last
+##             iteration.                                              <NaN>
+##
+## dtol, d N/A    : Stop search when derivative is small, as tested by
+## 
+##                   d > norm (dv)                                     <eps>
+##
+## crit, c ctl(1) : Set one stopping criterion, 'ftol' (c=1), 'utol' (c=2)
+##                  or 'dtol' (c=3) to the value of by the 'tol' option. <1>
+##
+## tol, t  ctl(2) : Threshold in termination test chosen by 'crit'  <10*eps>
+##
+## narg, n ctl(3) : Position of the minimized argument in args           <1>
+## maxev,m ctl(4) : Maximum number of function evaluations             <inf>
+## maxout,m       : Maximum number of outer loops                      <inf>
+## id2f, i ctl(5) : 0 if d2f returns the 2nd derivatives, 1 if           <0>
+##                  it returns its pseudo-inverse.
+##
+## verbose, v N/A : Be more or less verbose (quiet=0)                    <0>
+
+function [xbest,vbest,nev,hbest,args] = d2_min (f,d2f,args,ctl,code)
+
+maxout = inf;
+maxinner = 30 ;
+
+tcoeff = 0.5 ;                 # Discount on total weight
+ncoeff = 0.5 ;                 # Discount on weight of newton
+ocoeff = 1.5 ;                 # Factor for outwards searching
+
+report = 0 ;                   # Never report
+verbose = 0 ;                  # Be quiet
+prudent = 1 ;                  # Check coherence of d2f and f?
+
+niter = 0 ;
+
+crit = 0;                      # Default control variables
+ftol = 10 * sqrt (eps);
+dtol = eps;
+utol = tol = nan;
+narg = 1;
+maxev = inf;
+id2f = 0;
+
+if nargin >= 4                 # Read arguments
+  if isnumeric (ctl)
+    if length (ctl)>=1 && !isnan (ctl(1)), crit  = ctl(1); end
+    if length (ctl)>=2 && !isnan (ctl(2)), tol   = ctl(2); end
+    if length (ctl)>=3 && !isnan (ctl(3)), narg  = ctl(3); end
+    if length (ctl)>=4 && !isnan (ctl(4)), maxev = ctl(4); end
+    if length (ctl)>=5 && !isnan (ctl(5)), id2f  = ctl(5); end
+  elseif isstruct (ctl)
+    if isfield (ctl, "crit")   , crit    = ctl.crit   ; end
+    if isfield (ctl, "tol")    , tol     = ctl.tol    ; end
+    if isfield (ctl, "narg")   , narg    = ctl.narg   ; end
+    if isfield (ctl, "maxev")  , maxev   = ctl.maxev  ; end
+    if isfield (ctl, "maxout") , maxout  = ctl.maxout ; end
+    if isfield (ctl, "id2f")   , id2f    = ctl.id2f   ; end
+    if isfield (ctl, "verbose"), verbose = ctl.verbose; end
+    if isfield (ctl, "code")   , code    = ctl.code   ; end
+  else 
+    error ("The 'ctl' argument should be either a vector or a struct");
+  end
+end
+
+if     crit == 1, ftol = tol;
+elseif crit == 2, utol = tol;
+elseif crit == 3, dtol = tol;
+elseif crit, error ("crit is %i. Should be 1,2 or 3.\n");
+end
+
+
+if nargin < 5, code = "" ; end
+
+if iscell (args)               # List of arguments 
+  x = args{narg};
+else                           # Single argument
+  x = args;
+  args = {args}; 
+end
+
+############################## Checking ##############################
+if narg > length (args)
+  error ("d2_min : narg==%i, length (args)==%i\n",
+        narg, length (args));
+end
+
+if tol <= 0
+  printf ("d2_min : tol=%8.3g <= 0\n",tol) ;
+end
+
+if !ischar (d2f) || !ischar (f)
+  printf ("d2_min : f and d2f should be strings!\n");
+end
+
+sz = size (x); N = prod (sz);
+
+v = feval (f, args{:});
+nev = [1,0];
+
+if prudent && (! isnumeric (v) || isnan (v) || any (size (v)>1))
+  error ("Function '%s' returns inadequate output", f);
+end
+
+xbest = x = x(:);
+vold = vbest = nan ;           # Values of f
+hbest = nan ;                  # Inv. Hessian
+
+if verbose
+    printf ( "d2_min : Initially, v=%8.3g\n",v);
+end
+
+while niter <= maxout
+  niter += 1;
+  if nev(1) < maxev, break; end;  
+
+  [v,d,h] = feval (d2f, args{1:narg-1},reshape(x,sz),args{narg+1:end}); 
+  nev(2)++;
+
+  if prudent && niter <= 1 && \
+       (! isnumeric (v) || isnan (v) || any (size (v)>1) || \
+        ! isnumeric (d) || length (d(:)) != N || \
+        ! isnumeric (h) || any (size (h) != N))
+    error ("Function '%s' returns inadequate output", d2f);
+  end
+
+  if ! id2f, h = pinv (h); end
+  d = d(:);
+
+  if prudent
+    v2 = feval (f, args{1:narg-1},reshape(x,sz),args{narg+1:end});
+    nev(1)++;
+    if abs(v2-v) > 0.001 * sqrt(eps) * max (abs(v2), 1)
+      printf ("d2_min : f and d2f disagree %8.3g\n",abs(v2-v));
+    end
+  end
+
+  xbest = x ;
+  if ! isnan (vbest)           # Check that v ==vbest 
+    if abs (vbest - v) > 1000*eps * max (vbest, 1)
+      printf ("d2_min : vbest changed at beginning of outer loop\n");
+    end
+  end
+  vold = vbest = v ;
+  hbest = h ;
+
+  if length (code), abest = args; end # Eventually stash all args
+
+  if verbose || (report && rem(niter,max(report,1)) == 1)
+    printf ("d2_min : niter=%d, v=%8.3g\n",niter,v );
+  end
+
+  if norm (d) < dtol           # Check for small derivative
+    if verbose || report 
+      printf ("d2_min : Exiting because of low gradient\n");
+    end
+    break;                     # Exit outer loop
+  end
+
+  dnewton = -h*d ;             # Newton step
+                               # Heuristic for negative hessian
+  if dnewton'*d > 0, dnewton = -100*d; end
+  wn = 1 ;                     # Weight of Newton step
+  wt = 1 ;                     # Total weight
+  
+  ninner = 0; 
+  done_inner = 0;      # 0=not found. 1=Ready to quit inner.
+  
+                               # ##########################################
+  while ninner < maxinner,     # Inner loop ###############################
+    ninner += 1;
+                               # Proposed step
+    dx = wt*(wn*dnewton - (1-wn)*d) ;
+    xnew = x+dx ;
+
+    if verbose
+      printf (["Weight : total=%8.3g, newtons's=%8.3g  vbest=%8.3g ",...
+              "Norm:Newton=%8.3g, deriv=%8.3g\n"],...
+             wt,wn,vbest,norm(wt*wn*dnewton),norm(wt*(1-wn)*d));
+    end
+    if any(isnan(xnew))
+      printf ("d2_min : Whoa!! any(isnan(xnew)) (1)\n"); 
+    end
+
+    vnew = feval (f, args{1:narg-1},reshape(xnew,sz),args{narg+1:end});
+    nev(1)++;
+
+    if vnew<vbest              # Stash best values
+      dbest = dx ; 
+      vbest = vnew; 
+      xbest = xnew; 
+
+      done_inner = 1 ;         # Will go out at next increase
+      if verbose
+        printf ( "d2_min : Found better value\n");
+      end
+      
+    elseif done_inner == 1     # Time to go out
+      if verbose
+          printf ( "d2_min : Quitting %d th inner loop\n",niter);
+      end
+      break;                   # out of inner loop
+    end
+    wt = wt*tcoeff ;           # Reduce norm of proposed step
+    wn = wn*ncoeff ;           # And bring it closer to derivative
+
+  end                          # End of inner loop ########################
+                               # ##########################################
+
+  wbest = 0;                   # Best coeff for dbest
+
+  if ninner >= maxinner                # There was a problem
+    if verbose
+      printf ( "d2_min : Too many inner loops (vnew=%8.3g)\n",vnew);
+    end
+
+                               # ##########################################
+  else                         # Look for improvement along dbest
+    wn = ocoeff ;
+    xnew = x+wn*dbest;
+    if any(isnan(xnew)),
+      printf ("d2_min : Whoa!! any(isnan(xnew)) (2)\n"); 
+    end
+    vnew = feval (f, args{1:narg-1},reshape(xnew,sz),args{narg+1:end});
+    nev(1)++;
+
+    while vnew < vbest,
+      vbest = vnew;            # Stash best values
+      wbest = wn;
+      xbest = xnew; 
+      wn = wn*ocoeff ;
+      xnew = x+wn*dbest;
+      vnew = feval (f, args{1:narg-1},reshape(xnew,sz),args{narg+1:length(args)});
+      if verbose
+          printf ( "Looking farther : v = %8.3g\n",vnew);
+      end
+      nev(1)++;
+    end
+  end                          # End of improving along dbest
+                               # ##########################################
+
+  if verbose || rem(niter,max(report,1)) == 1
+    if vold,
+      if verbose
+       printf ("d2_min : Inner loop : vbest=%8.5g, vbest/vold=%8.5g\n",\
+               vbest,vbest/vold);
+      end
+    else
+      if verbose
+        printf ( "d2_min : Inner loop : vbest=%8.5g, vold=0\n", vbest);
+      end
+    end
+  end
+
+  if vbest < vold
+    ## "improvement found"
+    if prudent
+      tmpv = feval (f, args{1:narg-1},reshape(xbest,sz),args{2:end});
+      nev(1)++;
+
+      if abs (tmpv-vbest) > eps
+       printf ("d2_min : Whoa! Value at xbest changed by %g\n",\
+               abs(tmpv-vbest));
+      end
+    end
+    v = vbest; x = xbest;
+    if ! isempty (code)
+      if verbose
+        printf ("d2_min : Going to eval (\"%s\")\n",code);
+      end
+
+      xstash = xbest;
+      astash = abest;
+      args = abest;            # Here : added 2001/11/07. Is that right?
+      x = xbest;
+      eval (code, "printf (\"code fails\\n\");");
+      xbest = x; 
+      abest = args;
+                               # Check whether eval (code) changes value
+      if prudent
+        tmpv = feval (f, args{1:narg-1},reshape(x,sz),args{2:end});
+        nev(1)++;
+       if abs (tmpv-vbest) > max (min (100*eps,0.00001*abs(vbest)), eps) ,
+         printf ("d2_min : Whoa! Value changes by %g after eval (code)\n",\
+                 abs (tmpv-vbest));
+       end
+      end
+    end
+  end
+
+  if ! isnan (ftol) && ftol > (vold-vbest)/max(vold,1), 
+    if verbose || report
+      printf ("d2_min : Quitting, niter=%-3d v=%8.3g, ",niter,v);
+      if vold, printf ("v/vold=%8.3g \n",v/vold);
+      else     printf ("vold  =0     \n",v);
+      end
+    end
+    break ;                            # out of outer loop
+  end
+  if ! isnan (utol) && utol > max (abs (wbest*dbest)) / max(abs (xbest),1)
+    if verbose || report
+      printf ("d2_min : Quitting, niter=%-3d v=%8.3g, ",niter,v);
+      if vold, printf ("v/vold=%8.3g \n",v/vold);
+      else     printf ("vold  =0     \n",v);
+      end
+    end
+    break ;                    # out of outer loop
+  end   
+end                            # End of outer loop ##################
+
+xbest = reshape (xbest, sz);
+if length (code) 
+  args = abest;
+  args(narg) = xbest; 
+end
+
+if niter > maxout
+  if verbose
+    printf ( "d2_min : Outer loop lasts forever\n");
+  end
+end
+
+                               # One last check
+if prudent
+  err = feval (f, args{1:narg-1},reshape(xbest,sz),args{2:end});
+  nev(1)++;
+
+  if abs (err-vbest) > eps,
+    printf ("d2_min : Whoa!! xbest does not eval to vbest\n");
+    printf ("       : %8.3e - %8.3e = %8.3e != 0\n",err,vbest,err-vbest);
+  end
+end
+