]> git.sesse.net Git - foosball/blobdiff - foosrank.cpp
Invert the sign in the inner integral, as it's then expressible as a convolution.
[foosball] / foosrank.cpp
index bfcea1121f73745a61c36d6eed1bfc0b38dc6ba1..13e9a7914b93539b653a01d55ecdb5acb6019ba8 100644 (file)
@@ -6,8 +6,8 @@
 #include <algorithm>
 
 // step sizes
-static const double int_step_size = 50.0;
-static const double pdf_step_size = 10.0;
+static const double int_step_size = 75.0;
+static const double pdf_step_size = 15.0;
 
 // rating constant (see below)
 static const double rating_constant = 455.0;
@@ -15,10 +15,29 @@ static const double rating_constant = 455.0;
 using namespace std;
 
 double prob_score(int k, double a, double rd);
-double prob_score_real(int k, double a, double prodai, double kfac, double rd_norm);
+double prob_score_real(int k, double a, double binomial, double rd_norm);
 double prodai(int k, double a);
 double fac(int x);
 
+// Numerical integration using Simpson's rule
+template<class T>
+double simpson_integrate(const T &evaluator, double from, double to, double step)
+{
+       int n = int((to - from) / step + 0.5);
+       double h = (to - from) / n;
+       double sum = evaluator(from);
+
+       for (int i = 1; i < n; i += 2) {
+               sum += 4.0 * evaluator(from + i * h);
+       }
+       for (int i = 2; i < n; i += 2) {
+               sum += 2.0 * evaluator(from + i * h);
+       }
+       sum += evaluator(to);
+
+       return (h/3.0) * sum;
+}
+
 // probability of match ending k-a (k>a) when winnerR - loserR = RD
 //
 //   +inf  
@@ -37,16 +56,16 @@ double fac(int x);
 //
 double prob_score(int k, double a, double rd)
 {
-       return prob_score_real(k, a, prodai(k, a), fac(k-1), rd/rating_constant);
+       return prob_score_real(k, a, prodai(k, a) / fac(k-1), rd/rating_constant);
 }
 
-// Same, but takes in Product(a+i, i=1..k-1) and (k-1)! as an argument in
+// Same, but takes in binomial(a+k-1, k-1) as an argument in
 // addition to a. Faster if you already have that precomputed, and assumes rd
 // is already divided by 455.
-double prob_score_real(int k, double a, double prodai, double kfac, double rd_norm)
+double prob_score_real(int k, double a, double binomial, double rd_norm)
 {
-       double nom = prodai * pow(2.0, -rd_norm * a); 
-       double denom = kfac * pow(1.0 + pow(2.0, -rd_norm), k+a);
+       double nom = binomial * pow(2.0, rd_norm * a); 
+       double denom = pow(1.0 + pow(2.0, rd_norm), k+a);
        return nom/denom;
 }
 
@@ -73,7 +92,7 @@ double fac(int x)
 //   +inf
 //    /
 //    |
-//    | ProbScore[a] (r2-r1) Gaussian[mu2, sigma2] (dr2) dr2
+//    | ProbScore[a] (r1-r2) Gaussian[mu2, sigma2] (dr2) dr2
 //    |
 //   /
 // -inf
@@ -86,35 +105,30 @@ double fac(int x)
 // Set the last parameter to 1.0 if player 1 won, or -1.0 if player 2 won.
 // In the latter case, ProbScore will be given (r1-r2) instead of (r2-r1).
 //
-static inline double evaluate_int_point(int k, double a, double prodai_precompute, double kfac_precompute, double r1, double mu2, double sigma2, double winfac, double x);
+class ProbScoreEvaluator {
+private:
+       int k;
+       double a;
+       double binomial_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac;
+
+public:
+       ProbScoreEvaluator(int k, double a, double binomial_precompute, double r1, double mu2, double sigma2, double winfac)
+               : k(k), a(a), binomial_precompute(binomial_precompute), r1(r1), mu2(mu2), sigma2(sigma2), winfac(winfac) {}
+       inline double operator() (double x) const
+       {
+               double probscore = prob_score_real(k, a, binomial_precompute, (r1 - x)*winfac);
+               double z = (x - mu2)/sigma2;
+               double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+               return probscore * gaussian;
+       }
+};
 
 double opponent_rating_pdf(int k, double a, double r1, double mu2, double sigma2, double winfac)
 {
-       double prodai_precompute = prodai(k, a);
-       double kfac_precompute = fac(k-1);
+       double binomial_precompute = prodai(k, a) / fac(k-1);
        winfac /= rating_constant;
 
-       int n = int(3000.0 / int_step_size + 0.5);
-       double h = 3000.0 / double(n);
-       double sum = evaluate_int_point(k, a, prodai_precompute, kfac_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac, 0.0);
-
-       for (int i = 1; i < n; i += 2) {
-               sum += 4.0 * evaluate_int_point(k, a, prodai_precompute, kfac_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac, i * h);
-       }
-       for (int i = 2; i < n; i += 2) {
-               sum += 2.0 * evaluate_int_point(k, a, prodai_precompute, kfac_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac, i * h);
-       }
-       sum += evaluate_int_point(k, a, prodai_precompute, kfac_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac, 3000.0);
-
-       return (h/3.0) * sum;
-}
-
-static inline double evaluate_int_point(int k, double a, double prodai_precompute, double kfac_precompute, double r1, double mu2, double sigma2, double winfac, double x)
-{
-       double probscore = prob_score_real(k, a, prodai_precompute, kfac_precompute, (r1 - x)*winfac);
-       double z = (x - mu2)/sigma2;
-       double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
-       return  probscore * gaussian;
+       return simpson_integrate(ProbScoreEvaluator(k, a, binomial_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac), 0.0, 6000.0, int_step_size);
 }
 
 // normalize the curve so we know that A ~= 1
@@ -363,13 +377,57 @@ void compute_new_rating(double mu1, double sigma1, double mu2, double sigma2, in
                for (double r1 = 0.0; r1 < 3000.0; r1 += pdf_step_size) {
                        double z = (r1 - mu1) / sigma1;
                        double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
-                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * opponent_rating_pdf(score1, score2, r1, mu2, sigma2, 1.0)));
+                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * opponent_rating_pdf(score1, score2, r1, mu2, sigma2, -1.0)));
+               }
+       } else {
+               for (double r1 = 0.0; r1 < 3000.0; r1 += pdf_step_size) {
+                       double z = (r1 - mu1) / sigma1;
+                       double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * opponent_rating_pdf(score2, score1, r1, mu2, sigma2, 1.0)));
+               }
+       }
+
+       double mu_est, sigma_est;
+       normalize(curve);
+       estimate_musigma(curve, mu_est, sigma_est);
+       least_squares(curve, mu_est, sigma_est, mu, sigma);
+}
+
+// int(normpdf[mu2, sigma2](t2) * ..., t2=0..3000);
+class OuterIntegralEvaluator {
+private:
+       double theta1, mu2, sigma2, mu_t, sigma_t;
+       int score1, score2;
+       double winfac;
+
+public:
+       OuterIntegralEvaluator(double theta1, double mu2, double sigma2, double mu3, double sigma3, double mu4, double sigma4, int score1, int score2, double winfac)
+               : theta1(theta1), mu2(mu2), sigma2(sigma2), mu_t(mu3 + mu4), sigma_t(sqrt(sigma3*sigma3 + sigma4*sigma4)), score1(score1), score2(score2), winfac(winfac) {}
+
+       double operator() (double theta2) const
+       {
+               double z = (theta2 - mu2) / sigma2;
+               double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+               double r1 = theta1 + theta2;
+               return gaussian * opponent_rating_pdf(score1, score2, r1, mu_t, sigma_t, winfac);
+       }
+};
+
+void compute_new_double_rating(double mu1, double sigma1, double mu2, double sigma2, double mu3, double sigma3, double mu4, double sigma4, int score1, int score2, double &mu, double &sigma)
+{
+       vector<pair<double, double> > curve;
+
+       if (score1 > score2) {
+               for (double r1 = 0.0; r1 < 3000.0; r1 += pdf_step_size) {
+                       double z = (r1 - mu1) / sigma1;
+                       double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * simpson_integrate(OuterIntegralEvaluator(r1,mu2,sigma2,mu3,sigma3,mu4,sigma4,score1,score2,-0.5), 0.0, 3000.0, int_step_size)));
                }
        } else {
                for (double r1 = 0.0; r1 < 3000.0; r1 += pdf_step_size) {
                        double z = (r1 - mu1) / sigma1;
                        double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
-                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * opponent_rating_pdf(score2, score1, r1, mu2, sigma2, -1.0)));
+                       curve.push_back(make_pair(r1, gaussian * simpson_integrate(OuterIntegralEvaluator(r1,mu2,sigma2,mu3,sigma3,mu4,sigma4,score2,score1,0.5), 0.0, 3000.0, int_step_size)));
                }
        }
 
@@ -386,7 +444,17 @@ int main(int argc, char **argv)
        double mu2 = atof(argv[3]);
        double sigma2 = atof(argv[4]);
 
-       if (argc > 6) {
+       if (argc > 8) {
+               double mu3 = atof(argv[5]);
+               double sigma3 = atof(argv[6]);
+               double mu4 = atof(argv[7]);
+               double sigma4 = atof(argv[8]);
+               int score1 = atoi(argv[9]);
+               int score2 = atoi(argv[10]);
+               double mu, sigma;
+               compute_new_double_rating(mu1, sigma1, mu2, sigma2, mu3, sigma3, mu4, sigma4, score1, score2, mu, sigma);
+               printf("%f %f\n", mu, sigma);
+       } else if (argc > 6) {
                int score1 = atoi(argv[5]);
                int score2 = atoi(argv[6]);
                double mu, sigma;
@@ -401,14 +469,14 @@ int main(int argc, char **argv)
                        compute_new_rating(mu1, sigma1, mu2, sigma2, k, i, newmu1, newsigma1);
                        compute_new_rating(mu2, sigma2, mu1, sigma1, i, k, newmu2, newsigma2);
                        printf("%u-%u,%f,%+f,%+f\n",
-                               k, i, prob_score(k, i, mu1-mu2), newmu1-mu1, newmu2-mu2);
+                               k, i, prob_score(k, i, mu2-mu1), newmu1-mu1, newmu2-mu2);
                }
                for (int i = k; i --> 0; ) {
                        double newmu1, newmu2, newsigma1, newsigma2;
                        compute_new_rating(mu1, sigma1, mu2, sigma2, i, k, newmu1, newsigma1);
                        compute_new_rating(mu2, sigma2, mu1, sigma1, k, i, newmu2, newsigma2);
                        printf("%u-%u,%f,%+f,%+f\n",
-                               i, k, prob_score(k, i, mu2-mu1), newmu1-mu1, newmu2-mu2);
+                               i, k, prob_score(k, i, mu1-mu2), newmu1-mu1, newmu2-mu2);
                }
        }
 }