Line data    Source code

       1             : /* +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
       2             :    Copyright (c) 2016-2021 The VES code team
       3             :    (see the PEOPLE-VES file at the root of this folder for a list of names)
       4             : 
       5             :    See http://www.ves-code.org for more information.
       6             : 
       7             :    This file is part of VES code module.
       8             : 
       9             :    The VES code module is free software: you can redistribute it and/or modify
      10             :    it under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by
      11             :    the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
      12             :    (at your option) any later version.
      13             : 
      14             :    The VES code module is distributed in the hope that it will be useful,
      15             :    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
      16             :    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
      17             :    GNU Lesser General Public License for more details.
      18             : 
      19             :    You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License
      20             :    along with the VES code module.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
      21             : +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ */
      22             : #ifndef __PLUMED_ves_BasisFunctions_h
      23             : #define __PLUMED_ves_BasisFunctions_h
      24             : 
      25             : #include "core/Action.h"
      26             : 
      27             : #include <vector>
      28             : #include <string>
      29             : #include <cmath>
      30             : 
      31             : 
      32             : #define PLUMED_VES_BASISFUNCTIONS_INIT(ao) BasisFunctions(ao)
      33             : 
      34             : namespace PLMD {
      35             : 
      36             : /**
      37             : \ingroup INHERIT
      38             : Abstract base class for implementing new 1D basis sets.
      39             : */
      40             : 
      41             : class Action;
      42             : class Grid;
      43             : 
      44             : namespace ves {
      45             : 
      46             : class VesBias;
      47             : class TargetDistribution;
      48             : 
      49             : class BasisFunctions :
      50             :   public Action {
      51             : private:
      52             :   // print extra info about the basis set
      53             :   bool print_debug_info_;
      54             :   // to check if the basis set has been defined
      55             :   bool has_been_set;
      56             :   // description of the basis set
      57             :   std::string description_;
      58             :   // the type of the basis set
      59             :   std::string type_;
      60             :   // the maximum order of the basis functions
      61             :   unsigned int norder_;
      62             :   // the total number of basis functions
      63             :   unsigned int nbasis_;
      64             :   // the keywords used to invoke the basis set
      65             :   std::vector<std::string> bf_keywords_;
      66             :   // prefix for the basis function labels
      67             :   std::string bf_label_prefix_;
      68             :   // label of each basis function
      69             :   std::vector<std::string> bf_labels_;
      70             :   // if the basis functions are periodic or not
      71             :   bool periodic_;
      72             :   // if the basis functions are defined on a bounded interval or not
      73             :   bool interval_bounded_;
      74             :   // the intrinsic interval of the basis functions
      75             :   std::string interval_intrinsic_min_str_;
      76             :   std::string interval_intrinsic_max_str_;
      77             :   double interval_intrinsic_min_;
      78             :   double interval_intrinsic_max_;
      79             :   double interval_intrinsic_range_;
      80             :   double interval_intrinsic_mean_;
      81             :   // the defined (translated) interval of the basis functions
      82             :   std::string interval_min_str_;
      83             :   std::string interval_max_str_;
      84             :   double interval_min_;
      85             :   double interval_max_;
      86             :   double interval_range_;
      87             :   double interval_mean_;
      88             :   // the derivative term in the chain rule coming from the translation of the interval
      89             :   double argT_derivf_;
      90             :   // calculate numerically the integrals of the basis functions over the intervals
      91             :   bool numerical_uniform_integrals_;
      92             :   unsigned int nbins_;
      93             :   // the integrals of the basis functions over the interval on which they are defined
      94             :   std::vector <double> uniform_integrals_;
      95             :   //
      96             :   VesBias* vesbias_pntr_;
      97             :   Action* action_pntr_;
      98             :   //
      99             :   void getAllValuesNumericalDerivs(const double, double&, bool&, std::vector<double>&, std::vector<double>&) const;
     100             : 
     101             : protected:
     102             :   // setup various stuff
     103             :   void setupBF();
     104             :   void setupInterval();
     105             :   void setNumericalIntegrationBins(const unsigned int nbins) {
     106             :     nbins_=nbins;
     107             :   }
     108             :   void numericalUniformIntegrals();
     109             :   std::vector<double> numericalTargetDistributionIntegralsFromGrid(const Grid*) const ;
     110             :   virtual void setupLabels();
     111             :   virtual void setupUniformIntegrals();
     112             :   template<typename T>
     113             :   void addKeywordToList(const std::string&, const T);
     114             :   template<typename T>
     115             :   void addKeywordToList(const std::string&, const std::vector<T>&);
     116             :   void addKeywordToList(const std::string&, const bool);
     117             :   //
     118             :   void setPeriodic() {
     119         111 :     periodic_=true;
     120           8 :   }
     121             :   void setNonPeriodic() {
     122         139 :     periodic_=false;
     123          57 :   }
     124             :   void setIntervalBounded() {
     125         250 :     interval_bounded_=true;
     126             :   }
     127             :   void setIntervalNonBounded() {
     128             :     interval_bounded_=false;
     129             :   }
     130             :   void setType(const std::string& type_in) {
     131         250 :     type_=type_in;
     132         250 :   }
     133             :   void setDescription(const std::string& description_in) {
     134         250 :     description_=description_in;
     135         250 :   }
     136             :   //
     137             :   void setNumberOfBasisFunctions(const unsigned int);
     138             :   void setOrder(const unsigned int norder_in) {
     139          12 :     norder_=norder_in;
     140             :   }
     141             :   void setIntrinsicInterval(const double, const double);
     142             :   void setIntrinsicInterval(const std::string&, const std::string&);
     143             :   void setInterval(const double, const double);
     144             :   void setInterval(const std::string&, const std::string&);
     145             :   //
     146             :   double intrinsicIntervalMin() const {
     147             :     return interval_intrinsic_min_;
     148             :   }
     149             :   double intrinsicIntervalMax() const {
     150     1752567 :     return interval_intrinsic_max_;
     151             :   }
     152             :   std::string intrinsicIntervalMinStr() const {
     153             :     return interval_intrinsic_min_str_;
     154             :   }
     155             :   std::string intrinsicIntervalMaxStr() const {
     156             :     return interval_intrinsic_max_str_;
     157             :   }
     158             :   //
     159             :   void setUniformIntegral(const unsigned int, const double);
     160             :   void setUniformIntegrals(const std::vector<double>&);
     161             :   void setAllUniformIntegralsToZero();
     162             :   //
     163             :   void setLabelPrefix(const std::string&);
     164             :   void setLabel(const unsigned int, const std::string&);
     165             :   void setLabels(const std::vector<std::string>&);
     166             : 
     167             : public:
     168             :   static void registerKeywords(Keywords&);
     169             :   explicit BasisFunctions(const ActionOptions&ao);
     170             :   bool hasBeenSet() const {
     171             :     return has_been_set;
     172             :   }
     173             :   std::string getType() const {
     174             :     return type_;
     175             :   }
     176             :   std::string getDescription() const {
     177             :     return description_;
     178             :   }
     179             :   unsigned int getOrder() const {
     180    33616204 :     return norder_;
     181             :   }
     182             :   unsigned int getNumberOfBasisFunctions() const {
     183    13201725 :     return nbasis_;
     184             :   }
     185             :   unsigned int numberOfBasisFunctions() const {
     186      112559 :     return nbasis_;
     187             :   }
     188             :   unsigned int getSize() const {
     189             :     return nbasis_;
     190             :   }
     191             :   bool arePeriodic() const {
     192     2661457 :     return periodic_;
     193             :   }
     194             :   bool intervalBounded() const {
     195             :     return interval_bounded_;
     196             :   }
     197             :   double intervalMin() const {
     198      204981 :     return interval_min_;
     199             :   }
     200             :   double intervalMax() const {
     201         281 :     return interval_max_;
     202             :   }
     203             :   double intervalRange() const {
     204      300134 :     return interval_range_;
     205             :   }
     206             :   double intervalMean() const {
     207             :     return interval_mean_;
     208             :   }
     209             :   double intervalDerivf() const {
     210    30352451 :     return argT_derivf_;
     211             :   }
     212             :   std::string intervalMinStr() const {
     213         602 :     return interval_min_str_;
     214             :   }
     215             :   std::string intervalMaxStr() const {
     216         602 :     return interval_max_str_;
     217             :   }
     218             :   std::vector<double> getUniformIntegrals() const {
     219         134 :     return uniform_integrals_;
     220             :   }
     221             :   std::vector<double> getTargetDistributionIntegrals(const TargetDistribution*) const;
     222             :   //
     223             :   std::vector<std::string> getKeywordList() const {
     224             :     return bf_keywords_;
     225             :   }
     226             :   std::string getKeywordString() const;
     227             :   //
     228             :   std::string getBasisFunctionLabel(const unsigned int index) const {
     229      787689 :     return bf_labels_[index];
     230             :   }
     231             :   std::vector<std::string> getBasisFunctionLabels() const {
     232             :     return bf_labels_;
     233             :   }
     234             :   //
     235             :   void linkVesBias(VesBias*);
     236             :   void linkAction(Action*);
     237             :   VesBias* getPntrToVesBias() const;
     238             :   Action* getPntrToAction() const;
     239             :   //
     240             :   double translateArgument(const double, bool&) const;
     241             :   double checkIfArgumentInsideInterval(const double, bool&) const;
     242             :   //
     243           0 :   void apply() override {};
     244           0 :   void calculate() override {};
     245             :   // calculate the value for the n-th basis function
     246             :   double getValue(const double, const unsigned int, double&, bool&) const;
     247             :   // calculate the values for all basis functions
     248             :   virtual void getAllValues(const double, double&, bool&, std::vector<double>&, std::vector<double>&) const = 0;
     249             :   void printInfo() const;
     250             :   //
     251             :   void getMultipleValue(const std::vector<double>&, std::vector<double>&, std::vector<std::vector<double> >&, std::vector<std::vector<double> >&, const bool numerical_deriv=false) const;
     252             :   void writeBasisFunctionsToFile(OFile&, OFile&, const std::string& min_in, const std::string& max_in, unsigned int nbins=1000, const bool ignore_periodicity=false, const std::string& output_fmt_values="%15.8f", const std::string& output_fmt_derivs="%15.8f", const bool numerical_deriv=false) const;
     253             : };
     254             : 
     255             : 
     256             : inline
     257         250 : void BasisFunctions::setNumberOfBasisFunctions(const unsigned int nbasis_in) {
     258         250 :   nbasis_=nbasis_in;
     259         250 :   bf_labels_.assign(nbasis_,"");
     260         250 :   uniform_integrals_.assign(nbasis_,0.0);
     261         250 : }
     262             : 
     263             : 
     264             : inline
     265             : VesBias* BasisFunctions::getPntrToVesBias() const {
     266             :   plumed_massert(vesbias_pntr_!=NULL,"the VES bias has not been linked");
     267             :   return vesbias_pntr_;
     268             : }
     269             : 
     270             : 
     271             : inline
     272             : Action* BasisFunctions::getPntrToAction() const {
     273             :   plumed_massert(action_pntr_!=NULL,"the action has not been linked");
     274             :   return action_pntr_;
     275             : }
     276             : 
     277             : 
     278             : inline
     279             : void BasisFunctions::setUniformIntegral(const unsigned index, const double value) {
     280         265 :   uniform_integrals_[index] = value;
     281             : }
     282             : 
     283             : 
     284             : inline
     285             : void BasisFunctions::setUniformIntegrals(const std::vector<double>& uniform_integrals_in) {
     286             :   plumed_assert(uniform_integrals_in.size()==nbasis_);
     287             :   uniform_integrals_ = uniform_integrals_in;
     288             : }
     289             : 
     290             : 
     291             : inline
     292         160 : void BasisFunctions::setAllUniformIntegralsToZero() {
     293         160 :   uniform_integrals_.assign(nbasis_,0.0);
     294         160 : }
     295             : 
     296             : inline
     297             : void BasisFunctions::setLabelPrefix(const std::string& bf_label_prefix_in) {
     298          69 :   bf_label_prefix_ = bf_label_prefix_in;
     299          69 : }
     300             : 
     301             : 
     302             : inline
     303             : void BasisFunctions::setLabel(const unsigned int index, const std::string& label) {
     304        1140 :   bf_labels_[index] = label;
     305        3238 : }
     306             : 
     307             : 
     308             : inline
     309             : void BasisFunctions::setLabels(const std::vector<std::string>& bf_labels_in) {
     310             :   bf_labels_ = bf_labels_in;
     311             : }
     312             : 
     313             : 
     314             : inline
     315             : double BasisFunctions::translateArgument(const double arg, bool& inside_interval) const {
     316             :   // NOTE: only works for symmetric intrinsic intervals
     317             :   inside_interval=true;
     318     4895773 :   double argT = (arg-interval_mean_)*argT_derivf_;
     319     4895773 :   if(argT < interval_intrinsic_min_) {
     320         445 :     inside_interval=false;
     321         445 :     argT=interval_intrinsic_min_;
     322     4895328 :   } else if(argT > interval_intrinsic_max_) {
     323       13677 :     inside_interval=false;
     324       13677 :     argT=interval_intrinsic_max_;
     325             :   }
     326             :   return argT;
     327             : }
     328             : 
     329             : 
     330             : inline
     331             : double BasisFunctions::checkIfArgumentInsideInterval(const double arg, bool& inside_interval) const {
     332       62249 :   inside_interval=true;
     333             :   double argT = arg;
     334      947044 :   if(arg < interval_min_) {
     335         362 :     inside_interval=false;
     336         362 :     argT=interval_min_;
     337      946682 :   } else if(arg > interval_max_) {
     338         369 :     inside_interval=false;
     339         369 :     argT=interval_max_;
     340             :   }
     341             :   return argT;
     342             : }
     343             : 
     344             : 
     345             : 
     346             : template<typename T>
     347         880 : void BasisFunctions::addKeywordToList(const std::string& keyword, const T value) {
     348             :   std::string str_value;
     349         880 :   Tools::convert(value,str_value);
     350        1760 :   bf_keywords_.push_back(keyword+"="+str_value);
     351         880 : }
     352             : 
     353             : 
     354             : template<typename T>
     355           2 : void BasisFunctions::addKeywordToList(const std::string& keyword, const std::vector<T>& values) {
     356             :   std::string str_value;
     357             :   std::string str_keywordvalues;
     358           2 :   Tools::convert(values[0],str_value);
     359           2 :   str_keywordvalues = keyword + "=" + str_value;
     360           5 :   for(unsigned int i=1; i<values.size(); i++) {
     361           3 :     Tools::convert(values[i],str_value);
     362           3 :     str_keywordvalues += "," + str_value;
     363             :   }
     364           2 :   bf_keywords_.push_back(str_keywordvalues);
     365           5 : }
     366             : 
     367             : 
     368             : inline
     369             : void BasisFunctions::addKeywordToList(const std::string& keyword, const bool value) {
     370          82 :   if(value) {
     371          19 :     bf_keywords_.push_back(keyword);
     372             :   }
     373             : }
     374             : 
     375             : 
     376             : }
     377             : }
     378             : 
     379             : #endif