source: trunk/GDE/TREEPUZZLE/src/ml3.c

Last change on this file was 191, checked in by jobb, 24 years ago

treepuzzle

  • Property svn:eol-style set to native
  • Property svn:keywords set to Author Date Id Revision
File size: 7.7 KB
Line 
1/*
2 * ml3.c
3 *
4 *
5 * Part of TREE-PUZZLE 5.0 (June 2000)
6 *
7 * (c) 1999-2000 by Heiko A. Schmidt, Korbinian Strimmer,
8 *                  M. Vingron, and Arndt von Haeseler
9 * (c) 1995-1999 by Korbinian Strimmer and Arndt von Haeseler
10 *
11 * All parts of the source except where indicated are distributed under
12 * the GNU public licence.  See http://www.opensource.org for details.
13 */
14
15
16#define EXTERN extern
17
18
19/* prototypes */
20#include <stdio.h>
21#include <stdlib.h>
22#include <math.h>
23#include "util.h"
24#include "ml.h"
25#include "gamma.h"
26
27
28
29/******************************************************************************/
30/* discrete Gamma-distribution and related stuff                                              */
31/******************************************************************************/
32
33/* compare general base frequencies with frequencies of taxon i with chi square */
34double homogentest(int taxon)
35{
36        return chi2test(Freqtpm, Basecomp[taxon], gettpmradix(), &chi2fail);
37}
38
39
40/* discrete Gamma according to Yang 1994 (JME 39:306-314) */
41void YangDiscreteGamma (double shape, int c, dvector x)
42{
43        double twoc, mu;
44        int i;
45       
46        twoc = 2.0*c;
47        mu = 0.0;
48        for (i = 0; i < c; i++)
49        {
50                /* corresponding rates */
51                x[i] = icdfGamma ( (2.0*i+1.0)/twoc, shape);
52                mu += x[i];
53        }
54        mu = mu/c;     
55
56        /* rescale for avarage rate of 1.0 */
57        for (i = 0; i < c; i++)
58        {
59                x[i] /= mu;
60        }
61}
62
63/* compute rates of each category when rates are Gamma-distributed */
64void updaterates()
65{
66        int i;
67        double alpha;
68       
69        if (numcats == 1)
70        {
71                Rates[0] = 1.0;
72                return;
73        }
74        if (Geta == 0.0)
75        {
76                for (i = 0; i < numcats; i++)
77                        Rates[i] = 1.0;
78                return;
79        }
80        alpha = (1.0 - Geta)/Geta;
81
82        YangDiscreteGamma (alpha, numcats, Rates);
83       
84        /* if invariable sites are present */
85        for (i = 0; i < numcats; i++)
86                Rates[i] = Rates[i]/(1.0-fracinv);
87       
88        /* check for very small rates */
89        for (i = 0; i < numcats; i++)
90                if (Rates[i] < 0.000001) Rates[i] = 0.000001;
91}
92
93
94
95/******************************************************************************/
96/* parameter estimation                                                       */
97/******************************************************************************/
98
99/* compute sample mean and standard deviation of sample mean */
100void computestat(double *data, int n, double *mean, double *err)
101{       
102        int i;
103        double sum;
104       
105        sum = 0;
106        for (i = 0; i < n; i++) sum += data[i];
107        (*mean) = sum/(double) n;
108       
109        sum = 0;
110        for (i = 0; i < n; i++) sum += (data[i] - (*mean))*(data[i] - (*mean));
111        if (n != 1)
112                (*err) = sqrt(sum)/sqrt((double)(n-1)*n); /* unbiased estimator */
113        else
114                (*err) = 0.0; /* if n == 1 */
115}
116
117/* compute ML value of quartet (a,b,c,d) */
118double quartetml(int a, int b, int c, int d)
119{
120        double d1, d2, d3;
121
122        /* compute ML for all topologies */
123        if (approxp_optn) { /* approximate parameter mode */
124                d1 = quartet_alklhd(a,b,c,d); /* (a,b)-(c,d) */
125                d2 = quartet_alklhd(a,c,b,d); /* (a,c)-(b,d) */
126                d3 = quartet_alklhd(a,d,b,c); /* (a,d)-(b,c) */
127        } else {
128                d1 = quartet_lklhd(a,b,c,d); /* (a,b)-(c,d) */
129                d2 = quartet_lklhd(a,c,b,d); /* (a,c)-(b,d) */
130                d3 = quartet_lklhd(a,d,b,c); /* (a,d)-(b,c) */
131        }
132       
133        /* looking for max(d1, d2, d3) */                                               
134        if (d1 < d2) { /* d2 > d1 */
135                if (d2 < d3) { /* d3 > d2 > d1 */
136                        /* d3 maximum */ 
137                        return d3;
138                } else { /* d2 >= d3 > d1 */
139                        /* d2 maximum */
140                        return d2;
141                }
142        } else { /* d1 >= d2 */
143                if (d1 < d3) { /* d3 > d1 >= d2 */
144                        /* d3 maximum */
145                        return d3;
146                } else { /* d1 >= d2 && d1 >= d3 */
147                        /* d1 maximum */
148                        return d1;
149                }
150        }
151}
152
153/* optimization function TSparam - quartets */
154double opttsq(double x)
155{
156        if (x < MINTS) TSparam = MINTS;
157        else if (x > MAXTS) TSparam = MAXTS;
158        else TSparam = x;
159        tranprobmat();
160        distupdate(qca, qcb, qcc, qcd); 
161        return (-quartetml(qca, qcb, qcc, qcd));
162}
163
164/* optimization function YRparam - quartets */
165double optyrq(double x)
166{
167        if (x < MINYR) YRparam = MINYR;
168        else if (x > MAXYR) YRparam = MAXYR;
169        else YRparam = x;
170        tranprobmat();
171        distupdate(qca, qcb, qcc, qcd);
172        return (-quartetml(qca, qcb, qcc, qcd));
173}
174
175/* estimate substitution process parameters - random quartets */
176void optimseqevolparamsq()
177{
178        double tsmeanold, yrmeanold;
179        dvector tslist, yrlist;
180        int fin;
181        ivector taxon;
182        uli minqts, maxqts, n;
183
184
185        taxon = new_ivector(4);
186
187        /* number of quartets to be investigated */
188        minqts = (uli) floor(0.25 * MINPERTAXUM * Maxspc) + 1;
189        maxqts = (uli) floor(0.25 * MAXPERTAXUM * Maxspc) + 1;
190        if (Maxspc == 4) {
191                minqts = (uli) 1;
192                maxqts = (uli) 1;
193        }
194       
195        tslist = new_dvector(maxqts);
196        yrlist = new_dvector(maxqts);
197       
198        /* initialize averages */
199        tsmean = TSparam;
200        yrmean = YRparam;
201
202        fin = FALSE;
203               
204        /* investigate maxqts random quartets */
205        for (n = 0; n < maxqts; n++) {
206       
207                /* choose random quartet */
208                chooser(Maxspc, 4, taxon);
209
210                /*
211                 * optimize parameters on this quartet
212                 */
213
214                qca = taxon[0];
215                qcb = taxon[1];
216                qcc = taxon[2];
217                qcd = taxon[3];
218               
219                /* initialize start values with average value */
220                if ((SH_optn || nuc_optn) && optim_optn && (data_optn == 0)) TSparam = tsmean;
221                if ((nuc_optn && TN_optn) && optim_optn && (data_optn == 0)) YRparam = yrmean;
222               
223                /* estimation */
224                twodimenmin(PEPS1,
225                        (SH_optn || nuc_optn) && optim_optn && (data_optn == 0),
226                                MINTS, &TSparam, MAXTS, opttsq, &tserr,
227                        (nuc_optn && TN_optn) && optim_optn && (data_optn == 0),
228                                MINYR, &YRparam, MAXYR, optyrq, &yrerr);
229
230
231                tsmeanold = tsmean;
232                yrmeanold = yrmean;
233                tslist[n] = TSparam;
234                yrlist[n] = YRparam;
235                computestat(tslist, n+1 , &tsmean, &tserr);
236                computestat(yrlist, n+1 , &yrmean, &yrerr);
237
238                /* check whether the means are converging */
239                if (n > minqts-2) {
240                        if ((fabs(tsmean-tsmeanold) < TSDIFF) &&
241                                (fabs(yrmean-yrmeanold) < YRDIFF))
242                                        fin = TRUE;
243                }
244
245                /* investigate at least minqts quartets */
246                if (n > minqts-2 && (fin || n > maxqts-2)) break;
247        }
248
249        /* round estimated numbers to 2 digits after the decimal point */
250        if (tserr != 0.0) tsmean = floor(100.0*tsmean+0.5)/100.0;
251        if (yrerr != 0.0) yrmean = floor(100.0*yrmean+0.5)/100.0;
252
253        /* update ML engine */
254        TSparam = tsmean;
255        YRparam = yrmean;
256        tranprobmat();
257
258        free_ivector(taxon);
259}
260
261/* optimization function TSparam - tree */
262double opttst(double x)
263{
264        double result;
265
266        if (x < MINTS) TSparam = MINTS;
267        else if (x > MAXTS) TSparam = MAXTS;
268        else TSparam = x;
269        tranprobmat();
270        computedistan();
271        if (approxp_optn) result = usertree_alklhd();
272        else result = usertree_lklhd();
273
274        return (-result);
275}
276
277/* optimization function YRparam - tree */
278double optyrt(double x)
279{
280        double result;
281       
282        if (x < MINYR) YRparam = MINYR;
283        else if (x > MAXYR) YRparam = MAXYR;
284        else YRparam = x;
285        tranprobmat();
286        computedistan();
287        if (approxp_optn) result = usertree_alklhd();
288        else result = usertree_lklhd();
289
290        return (-result);
291}
292
293
294/* optimize substitution process parameters - tree */
295void optimseqevolparamst()
296{
297        twodimenmin(PEPS1,
298                (SH_optn || nuc_optn) && optim_optn && (data_optn == 0),
299                        MINTS, &TSparam, MAXTS, opttst, &tserr,
300                (nuc_optn && TN_optn) && optim_optn && (data_optn == 0),
301                        MINYR, &YRparam, MAXYR, optyrt, &yrerr);
302}
303
304
305/* optimization function fracinv */
306double optfi(double x)
307{
308        double result;
309
310        if (x < MINFI) fracinv = MINFI;
311        else if (x > MAXFI) fracinv = MAXFI;
312        else fracinv = x;
313       
314        computedistan();
315        if (approxp_optn) result = usertree_alklhd();
316        else result = usertree_lklhd();
317
318        return (-result);       
319}
320
321
322/* optimization function Geta */
323double optge(double x)
324{
325        double result;
326
327        if (x < MINGE) Geta = MINGE;
328        else if (x > MAXGE) Geta = MAXGE;
329        else Geta = x;
330       
331        updaterates();
332       
333        computedistan();
334        if (approxp_optn) result = usertree_alklhd();
335        else result = usertree_lklhd();
336
337        return (-result);       
338}
339
340
341/* optimize rate heterogeneity parameters */
342void optimrateparams()
343{       
344        twodimenmin(PEPS2,
345                fracinv_optim,
346                        MINFI, &fracinv, fracconst, optfi, &fierr,
347                grate_optim,
348                        MINGE, &Geta, MAXGE, optge, &geerr);
349
350}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.