STEER/AliCheb3D.h

   1 // Author: ruben.shahoyan@cern.ch   09/09/2006
   2
   3 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   4 //                                                                            //
   5 // AliCheb3D produces the interpolation of the user 3D->NDimOut arbitrary     //
   6 // function supplied in "void (*fcn)(float* inp,float* out)" format           //
   7 // either in a separate macro file or as a function pointer.                  //
   8 // Only coefficients needed to guarantee the requested precision are kept.    //
   9 //                                                                            //
  10 // The user-callable methods are:                                             //
  11 // To create the interpolation use:                                           //
  12 // AliCheb3D(const char* funName,  // name of the file with user function     //
  13 //          or                                                                //
  14 // AliCheb3D(void (*ptr)(float*,float*),// pointer on the  user function      //
  15 //        Int_t     DimOut,     // dimensionality of the function's output    //
  16 //        Float_t  *bmin,       // lower 3D bounds of interpolation domain    //
  17 //        Float_t  *bmax,       // upper 3D bounds of interpolation domain    //
  18 //        Int_t    *npoints,    // number of points in each of 3 input        //
  19 //                              // dimension, defining the interpolation grid //
  20 //        Float_t   prec=1E-6); // requested max.absolute difference between  //
  21 //                              // the interpolation and any point on grid    //
  22 //                                                                            //
  23 // To test obtained parameterization use the method                           //
  24 // TH1* TestRMS(int idim,int npoints = 1000,TH1* histo=0);                    //
  25 // it will compare the user output of the user function and interpolation     //
  26 // for idim-th output dimension and fill the difference in the supplied       //
  27 // histogram. If no histogram is supplied, it will be created.                //
  28 //                                                                            //
  29 // To save the interpolation data:                                            //
  30 // SaveData(const char* filename, Bool_t append )                             //
  31 // write text file with data. If append is kTRUE and the output file already  //
  32 // exists, data will be added in the end of the file.                         //
  33 // Alternatively, SaveData(FILE* stream) will write the data to               //
  34 // already existing stream.                                                   //
  35 //                                                                            //
  36 // To read back already stored interpolation use either the constructor       //
  37 // AliCheb3D(const char* inpFile);                                            //
  38 // or the default constructor AliCheb3D() followed by                         //
  39 // AliCheb3D::LoadData(const char* inpFile);                                  //
  40 //                                                                            //
  41 // To compute the interpolation use Eval(float* par,float *res) method, with  //
  42 // par being 3D vector of arguments (inside the validity region) and res is   //
  43 // the array of DimOut elements for the output.                               //
  44 //                                                                            //
  45 // If only one component (say, idim-th) of the output is needed, use faster   //
  46 // Float_t Eval(Float_t *par,int idim) method.                                //
  47 //                                                                            //
  48 // void Print(option="") will print the name, the ranges of validity and      //
  49 // the absolute precision of the parameterization. Option "l" will also print //
  50 // the information about the number of coefficients for each output           //
  51 // dimension.                                                                 //
  52 //                                                                            //
  53 // NOTE: during the evaluation no check is done for parameter vector being    //
  54 // outside the interpolation region. If there is such a risk, use             //
  55 // Bool_t IsInside(float *par) method. Chebyshev parameterization is not      //
  56 // good for extrapolation!                                                    //
  57 //                                                                            //
  58 // For the properties of Chebyshev parameterization see:                      //
  59 // H.Wind, CERN EP Internal Report, 81-12/Rev.                                //
  60 //                                                                            //
  61 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  62
  63
  64 #ifndef ALICHEB3D_H
  65 #define ALICHEB3D_H
  66
  67 #include <TNamed.h>
  68 #include <TObjArray.h>
  69 #include "AliCheb3DCalc.h"
  70
  71 class TString;
  72 class TSystem;
  73 class TRandom;
  74 class TH1;
  75 class TMethodCall;
  76 class TRandom;
  77 class TROOT;
  78 class stdio;
  79
  80
  81
  82 class AliCheb3D: public TNamed
  83 {
  84  public:
  85   AliCheb3D();
  86   AliCheb3D(const AliCheb3D& src);
  87   AliCheb3D(const char* inpFile);
  88   AliCheb3D(FILE* stream);
  89   //
  90 #ifdef _INC_CREATION_ALICHEB3D_
  91   AliCheb3D(const char* funName, Int_t DimOut, Float_t  *bmin,Float_t  *bmax, Int_t *npoints, Float_t  prec=1E-6);
  92   AliCheb3D(void (*ptr)(float*,float*), Int_t DimOut, Float_t  *bmin,Float_t  *bmax, Int_t *npoints, Float_t  prec=1E-6);
  93   AliCheb3D(void (*ptr)(float*,float*), int DimOut, Float_t  *bmin,Float_t  *bmax, Int_t *npX,Int_t *npY,Int_t *npZ, Float_t prec=1E-6);
  94   AliCheb3D(void (*ptr)(float*,float*), int DimOut, Float_t  *bmin,Float_t  *bmax, Float_t prec=1E-6);
  95 #endif
  96   //
  97   ~AliCheb3D()                                                                 {Clear();}
  98   //
  99   AliCheb3D&   operator=(const AliCheb3D& rhs);
 100   template <class T>
 101     void       Eval(const T  *par, T *res);
 102   template <class T>
 103     T          Eval(const T  *par,int idim);
 104   //
 105   void         EvalDeriv(int dimd, const Float_t  *par, Float_t  *res);
 106   void         EvalDeriv2(int dimd1, int dimd2, const Float_t  *par,Float_t  *res);
 107   Float_t      EvalDeriv(int dimd, const Float_t  *par, int idim);
 108   Float_t      EvalDeriv2(int dimd1,int dimd2, const Float_t  *par, int idim);
 109   void         EvalDeriv3D(const Float_t *par, Float_t dbdr[3][3]);
 110   void         EvalDeriv3D2(const Float_t *par, Float_t dbdrdr[3][3][3]);
 111   void         Print(const Option_t* opt="")                             const;
 112   template <class T>
 113     Bool_t       IsInside(const T  *par)                                 const;
 114   //
 115   AliCheb3DCalc*  GetChebCalc(int i)                                     const {return (AliCheb3DCalc*)fChebCalc.UncheckedAt(i);}
 116   Float_t      GetBoundMin(int i)                                        const {return fBMin[i];}
 117   Float_t      GetBoundMax(int i)                                        const {return fBMax[i];}
 118   Float_t*     GetBoundMin()                                             const {return (float*)fBMin;}
 119   Float_t*     GetBoundMax()                                             const {return (float*)fBMax;}
 120   Float_t      GetPrecision()                                            const {return fPrec;}
 121   void         ShiftBound(int id,float dif);
 122   //
 123   void         LoadData(const char* inpFile);
 124   void         LoadData(FILE* stream);
 125   //
 126 #ifdef _INC_CREATION_ALICHEB3D_
 127   int*         GetNCNeeded(float xyz[3],int DimVar, float mn,float mx, float prec);
 128   void         EstimateNPoints(float Prec, int gridBC[3][3]);
 129   void         SaveData(const char* outfile,Bool_t append=kFALSE)        const;
 130   void         SaveData(FILE* stream=stdout)                             const;
 131   //
 132   void         SetUsrFunction(const char* name);
 133   void         SetUsrFunction(void (*ptr)(float*,float*));
 134   void         EvalUsrFunction(const Float_t  *x, Float_t  *res);
 135   TH1*         TestRMS(int idim,int npoints = 1000,TH1* histo=0);
 136   static Int_t CalcChebCoefs(const Float_t  *funval,int np, Float_t  *outCoefs, Float_t  prec=-1);
 137 #endif
 138   //
 139  protected:
 140   void         Clear(const Option_t* option = "");
 141   void         SetDimOut(const int d);
 142   void         PrepareBoundaries(const Float_t  *bmin,const Float_t  *bmax);
 143   //
 144 #ifdef _INC_CREATION_ALICHEB3D_
 145   void         EvalUsrFunction();
 146   void         DefineGrid(Int_t* npoints);
 147   Int_t        ChebFit();                                                                 // fit all output dimensions
 148   Int_t        ChebFit(int dmOut);
 149   void         SetPrecision(float prec)                      {fPrec = prec;}
 150 #endif
 151   //
 152   template <class T>
 153     T          MapToInternal(T  x,Int_t d)       const; // map x to [-1:1]
 154   template <class T>
 155     T          MapToExternal(T  x,Int_t d)       const {return x/fBScale[d]+fBOffset[d];}   // map from [-1:1] to x
 156   //
 157  protected:
 158   Int_t        fDimOut;            // dimension of the ouput array
 159   Float_t      fPrec;              // requested precision
 160   Float_t      fBMin[3];           // min boundaries in each dimension
 161   Float_t      fBMax[3];           // max boundaries in each dimension
 162   Float_t      fBScale[3];         // scale for boundary mapping to [-1:1] interval
 163   Float_t      fBOffset[3];        // offset for boundary mapping to [-1:1] interval
 164   TObjArray    fChebCalc;          // Chebyshev parameterization for each output dimension
 165   //
 166   Int_t        fMaxCoefs;          //! max possible number of coefs per parameterization
 167   Int_t        fNPoints[3];        //! number of used points in each dimension
 168   Float_t      fArgsTmp[3];        //! temporary vector for coefs caluclation
 169   Float_t      fBuff[6];           //! buffer for coordinate transformations
 170   Float_t *    fResTmp;            //! temporary vector for results of user function caluclation
 171   Float_t *    fGrid;              //! temporary buffer for Chebyshef roots grid
 172   Int_t        fGridOffs[3];       //! start of grid for each dimension
 173   TString      fUsrFunName;        //! name of user macro containing the function of  "void (*fcn)(float*,float*)" format
 174   TMethodCall* fUsrMacro;          //! Pointer to MethodCall for function from user macro
 175   //
 176   ClassDef(AliCheb3D,1)  // Chebyshev parametrization for 3D->N function
 177 };
 178
 179 //__________________________________________________________________________________________
 180 template <class T>
 181 inline Bool_t  AliCheb3D::IsInside(const T  *par) const
 182 {
 183   // check if the point is inside of the fitted box
 184   const float kTol = 1.e-4;
 185   for (int i=3;i--;) if (fBMin[i]-par[i]>kTol || par[i]-fBMax[i]>kTol) return kFALSE;
 186   //if(par[i]<fBMin[i]||par[i]>fBMax[i]) return kFALSE;
 187   return kTRUE;
 188 }
 189
 190 //__________________________________________________________________________________________
 191 template <class T>
 192 inline void AliCheb3D::Eval(const T  *par, T  *res)
 193 {
 194   // evaluate Chebyshev parameterization for 3d->DimOut function
 195   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 196   for (int i=fDimOut;i--;) res[i] = GetChebCalc(i)->Eval(fArgsTmp);
 197   //
 198 }
 199
 200 //__________________________________________________________________________________________
 201 template <class T>
 202 inline T AliCheb3D::Eval(const T  *par, int idim)
 203 {
 204   // evaluate Chebyshev parameterization for idim-th output dimension of 3d->DimOut function
 205   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 206   return GetChebCalc(idim)->Eval(fArgsTmp);
 207   //
 208 }
 209
 210 //__________________________________________________________________________________________
 211 inline void AliCheb3D::EvalDeriv3D(const Float_t *par, Float_t dbdr[3][3])
 212 {
 213   // return gradient matrix
 214   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 215   for (int ib=3;ib--;) for (int id=3;id--;) dbdr[ib][id] = GetChebCalc(ib)->EvalDeriv(id,fArgsTmp)*fBScale[id];
 216 }
 217
 218 //__________________________________________________________________________________________
 219 inline void AliCheb3D::EvalDeriv3D2(const Float_t *par, Float_t dbdrdr[3][3][3])
 220 {
 221   // return gradient matrix
 222   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 223   for (int ib=3;ib--;) for (int id=3;id--;)for (int id1=3;id1--;)
 224     dbdrdr[ib][id][id1] = GetChebCalc(ib)->EvalDeriv2(id,id1,fArgsTmp)*fBScale[id]*fBScale[id1];
 225 }
 226
 227 //__________________________________________________________________________________________
 228 inline void AliCheb3D::EvalDeriv(int dimd, const Float_t  *par, Float_t  *res)
 229 {
 230   // evaluate Chebyshev parameterization derivative for 3d->DimOut function
 231   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 232   for (int i=fDimOut;i--;) res[i] = GetChebCalc(i)->EvalDeriv(dimd,fArgsTmp)*fBScale[dimd];;
 233   //
 234 }
 235
 236 //__________________________________________________________________________________________
 237 inline void AliCheb3D::EvalDeriv2(int dimd1,int dimd2, const Float_t  *par, Float_t  *res)
 238 {
 239   // evaluate Chebyshev parameterization 2nd derivative over dimd1 and dimd2 dimensions for 3d->DimOut function
 240   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 241   for (int i=fDimOut;i--;) res[i] = GetChebCalc(i)->EvalDeriv2(dimd1,dimd2,fArgsTmp)*fBScale[dimd1]*fBScale[dimd2];
 242   //
 243 }
 244
 245 //__________________________________________________________________________________________
 246 inline Float_t AliCheb3D::EvalDeriv(int dimd, const Float_t  *par, int idim)
 247 {
 248   // evaluate Chebyshev parameterization derivative over dimd dimention for idim-th output dimension of 3d->DimOut function
 249   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 250   return GetChebCalc(idim)->EvalDeriv(dimd,fArgsTmp)*fBScale[dimd];
 251   //
 252 }
 253
 254 //__________________________________________________________________________________________
 255 inline Float_t AliCheb3D::EvalDeriv2(int dimd1,int dimd2, const Float_t  *par, int idim)
 256 {
 257   // evaluate Chebyshev parameterization 2ns derivative over dimd1 and dimd2 dimensions for idim-th output dimension of 3d->DimOut function
 258   for (int i=3;i--;) fArgsTmp[i] = MapToInternal(par[i],i);
 259   return GetChebCalc(idim)->EvalDeriv2(dimd1,dimd2,fArgsTmp)*fBScale[dimd1]*fBScale[dimd2];
 260   //
 261 }
 262
 263 //__________________________________________________________________________________________
 264 template <class T>
 265 inline T AliCheb3D::MapToInternal(T  x,Int_t d) const
 266 {
 267   // map x to [-1:1]
 268 #ifdef _BRING_TO_BOUNDARY_
 269   T res = (x-fBOffset[d])*fBScale[d];
 270   if (res<-1) return -1;
 271   if (res> 1) return 1;
 272   return res;
 273 #else
 274   return (x-fBOffset[d])*fBScale[d];
 275 #endif
 276 }
 277
 278 #endif