]> git.sesse.net Git - foosball/blobdiff - foosrank.cpp
More cleanups, and statify.
[foosball] / foosrank.cpp
index fc968cd647b86baa5591205f6bd2b47d9507544c..bdb54f2324b3e6a95e626cf035474fb9c1f97b1f 100644 (file)
@@ -1,42 +1,26 @@
-#include <stdio.h>
-#include <math.h>
-#include <assert.h>
+#include <cstdio>
+#include <cmath>
+#include <cassert>
 
 #include <vector>
 #include <algorithm>
 
+#include <complex>
+#include <fftw3.h>
+
 // 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;
 
 // rating constant (see below)
 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 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);
+static double prob_score(int k, int a, double rd);
+static double prob_score_real(int k, int a, double binomial, double rd_norm);
+static double prodai(int k, int a);
+static double fac(int x);
 
-       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
 //
@@ -54,23 +38,40 @@ double simpson_integrate(const T &evaluator, double from, double to, double step
 // Glicko/Bradley-Terry assumption that a player rated 400 points over
 // his/her opponent will win with a probability of 10/11 =~ 0.90909. 
 //
-double prob_score(int k, double a, double rd)
+static double prob_score(int k, int a, double rd)
 {
        return prob_score_real(k, a, prodai(k, a) / fac(k-1), rd/rating_constant);
 }
 
+// computes x^a, probably more efficiently than pow(x, a) (but requires that a
+// is n unsigned integer)
+static double intpow(double x, unsigned a)
+{
+       double result = 1.0;
+
+       while (a > 0) {
+               if (a & 1) {
+                       result *= x;
+               }
+               a >>= 1;
+               x *= x;
+       }
+
+       return result;
+}
+
 // 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 binomial, double rd_norm)
+static double prob_score_real(int k, int a, double binomial, double rd_norm)
 {
-       double nom = binomial * pow(2.0, rd_norm * a); 
-       double denom = pow(1.0 + pow(2.0, rd_norm), k+a);
+       double nom = binomial * intpow(pow(2.0, rd_norm), a); 
+       double denom = intpow(1.0 + pow(2.0, rd_norm), k+a);
        return nom/denom;
 }
 
 // Calculates Product(a+i, i=1..k-1) (see above).
-double prodai(int k, double a)
+static double prodai(int k, int a)
 {
        double prod = 1.0;
        for (int i = 1; i < k; ++i)
@@ -78,7 +79,7 @@ double prodai(int k, double a)
        return prod;
 }
 
-double fac(int x)
+static double fac(int x)
 {
        double prod = 1.0;
        for (int i = 2; i <= x; ++i)
@@ -86,53 +87,67 @@ double fac(int x)
        return prod;
 }
 
-// 
-// Computes the integral
-//
-//   +inf
-//    /
-//    |
-//    | ProbScore[a] (r2-r1) Gaussian[mu2, sigma2] (dr2) dr2
-//    |
-//   /
-// -inf
-//
-// For practical reasons, -inf and +inf are replaced by 0 and 3000, which
-// is reasonable in the this context.
-//
-// The Gaussian is not normalized.
-//
-// 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).
-//
-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, (x - r1)*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)
+static void compute_opponent_rating_pdf(int k, int a, double mu2, double sigma2, double winfac, vector<pair<double, double> > &result)
 {
        double binomial_precompute = prodai(k, a) / fac(k-1);
        winfac /= rating_constant;
 
-       return simpson_integrate(ProbScoreEvaluator(k, a, binomial_precompute, r1, mu2, sigma2, winfac), 0.0, 3000.0, int_step_size);
+       int sz = (6000.0 - 0.0) / int_step_size;
+       double h = (6000.0 - 0.0) / sz;
+
+       fftw_plan f1, f2, b;
+       complex<double> *func1, *func2, *res;
+
+       func1 = reinterpret_cast<complex<double> *>(fftw_malloc(sz*2*sizeof(complex<double>)));
+       func2 = reinterpret_cast<complex<double> *>(fftw_malloc(sz*2*sizeof(complex<double>)));
+       res = reinterpret_cast<complex<double> *>(fftw_malloc(sz*2*sizeof(complex<double>)));
+       f1 = fftw_plan_dft_1d(sz*2,
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(func1),
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(func1),
+               FFTW_FORWARD,
+               FFTW_MEASURE);
+       f2 = fftw_plan_dft_1d(sz*2,
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(func2),
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(func2),
+               FFTW_FORWARD,
+               FFTW_MEASURE);
+       b = fftw_plan_dft_1d(sz*2,
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(res),
+               reinterpret_cast<fftw_complex*>(res),
+               FFTW_BACKWARD,
+               FFTW_MEASURE);
+       
+       // start off by zero
+       for (int i = 0; i < sz*2; ++i) {
+               func1[i].real() = func1[i].imag() = func2[i].real() = func2[i].imag() = 0.0;
+       }
+
+       for (int i = 0; i < sz; ++i) {
+               double x1 = 0.0 + h*i;
+               double z = (x1 - mu2)/sigma2;
+               func1[i].real() = exp(-(z*z/2.0));
+
+               double x2 = -3000.0 + h*i;
+               func2[(i - sz/2 + sz*2)%(sz*2)].real() = prob_score_real(k, a, binomial_precompute, x2*winfac);
+       }
+
+       result.reserve(sz*2);
+
+       // convolve
+       fftw_execute(f1);
+       fftw_execute(f2);
+       for (int i = 0; i < sz*2; ++i) {
+               res[i] = func1[i] * func2[i];
+       }
+       fftw_execute(b);
+       for (int i = 0; i < sz; ++i) {
+               double r1 = i*h;
+               result.push_back(make_pair(r1, abs(res[i])));
+       }
 }
 
 // normalize the curve so we know that A ~= 1
-void normalize(vector<pair<double, double> > &curve)
+static void normalize(vector<pair<double, double> > &curve)
 {
        double peak = 0.0;
        for (vector<pair<double, double> >::const_iterator i = curve.begin(); i != curve.end(); ++i) {
@@ -145,27 +160,10 @@ void normalize(vector<pair<double, double> > &curve)
        }
 }
 
-// computes matA * matB
-void mat_mul(double *matA, unsigned ah, unsigned aw,
-             double *matB, unsigned bh, unsigned bw,
-            double *result)
-{
-       assert(aw == bh);
-       for (unsigned y = 0; y < bw; ++y) {
-               for (unsigned x = 0; x < ah; ++x) {
-                       double sum = 0.0;
-                       for (unsigned c = 0; c < aw; ++c) {
-                               sum += matA[c*ah + x] * matB[y*bh + c];
-                       }
-                       result[y*bw + x] = sum;
-               }
-       }
-}
-               
 // computes matA^T * matB
-void mat_mul_trans(double *matA, unsigned ah, unsigned aw,
-                   double *matB, unsigned bh, unsigned bw,
-                  double *result)
+static void mat_mul_trans(double *matA, unsigned ah, unsigned aw,
+                          double *matB, unsigned bh, unsigned bw,
+                         double *result)
 {
        assert(ah == bh);
        for (unsigned y = 0; y < bw; ++y) {
@@ -179,24 +177,10 @@ void mat_mul_trans(double *matA, unsigned ah, unsigned aw,
        }
 }
 
-void print3x3(double *M)
-{
-       printf("%f %f %f\n", M[0], M[3], M[6]);
-       printf("%f %f %f\n", M[1], M[4], M[7]);
-       printf("%f %f %f\n", M[2], M[5], M[8]);
-}
-
-void print3x1(double *M)
-{
-       printf("%f\n", M[0]);
-       printf("%f\n", M[1]);
-       printf("%f\n", M[2]);
-}
-
 // solves Ax = B by Gauss-Jordan elimination, where A is a 3x3 matrix,
 // x is a column vector of length 3 and B is a row vector of length 3.
 // Destroys its input in the process.
-void solve3x3(double *A, double *x, double *B)
+static void solve3x3(double *A, double *x, double *B)
 {
        // row 1 -= row 0 * (a1/a0)
        {
@@ -261,7 +245,7 @@ void solve3x3(double *A, double *x, double *B)
 
 // Give an OK starting estimate for the least squares, by numerical integration
 // of statistical moments.
-void estimate_musigma(vector<pair<double, double> > &curve, double &mu_result, double &sigma_result)
+static void estimate_musigma(vector<pair<double, double> > &curve, double &mu_result, double &sigma_result)
 {
        double h = (curve.back().first - curve.front().first) / (curve.size() - 1);
 
@@ -303,7 +287,7 @@ void estimate_musigma(vector<pair<double, double> > &curve, double &mu_result, d
 // Note that the algorithm blows up quite hard if the initial estimate is
 // not good enough. Use estimate_musigma to get a reasonable starting
 // estimate.
-void least_squares(vector<pair<double, double> > &curve, double mu1, double sigma1, double &mu_result, double &sigma_result)
+static void least_squares(vector<pair<double, double> > &curve, double mu1, double sigma1, double &mu_result, double &sigma_result)
 {
        double A = 1.0;
        double mu = mu1;
@@ -369,22 +353,22 @@ void least_squares(vector<pair<double, double> > &curve, double mu1, double sigm
        sigma_result = sigma;
 }
 
-void compute_new_rating(double mu1, double sigma1, double mu2, double sigma2, int score1, int score2, double &mu, double &sigma)
+static void compute_new_rating(double mu1, double sigma1, double mu2, double sigma2, 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 * opponent_rating_pdf(score1, score2, r1, mu2, sigma2, 1.0)));
-               }
+               compute_opponent_rating_pdf(score1, score2, mu2, sigma2, -1.0, curve);
        } 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)));
-               }
+               compute_opponent_rating_pdf(score2, score1, mu2, sigma2, 1.0, curve);
+       }
+
+       // multiply in the gaussian
+       for (unsigned i = 0; i < curve.size(); ++i) {
+               double r1 = curve[i].first;
+               double z = (r1 - mu1) / sigma1;
+               double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+               curve[i].second *= gaussian;
        }
 
        double mu_est, sigma_est;
@@ -393,14 +377,103 @@ void compute_new_rating(double mu1, double sigma1, double mu2, double sigma2, in
        least_squares(curve, mu_est, sigma_est, mu, sigma);
 }
 
+static 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, newcurve;
+       double mu_t = mu3 + mu4;
+       double sigma_t = sqrt(sigma3*sigma3 + sigma4*sigma4);
+                       
+       if (score1 > score2) {
+               compute_opponent_rating_pdf(score1, score2, mu_t, sigma_t, -1.0, curve);
+       } else {
+               compute_opponent_rating_pdf(score2, score1, mu_t, sigma_t, 1.0, curve);
+       }
+
+       // iterate over r1
+       double h = 3000.0 / curve.size();
+       for (unsigned i = 0; i < curve.size(); ++i) {
+               double sum = 0.0;
+
+               // could be anything, but this is a nice start
+               //double r1 = curve[i].first;
+               double r1 = i * h;
+
+               // iterate over r2
+               for (unsigned j = 0; j < curve.size(); ++j) {
+                       double r1plusr2 = curve[j].first;
+                       double r2 = r1plusr2 - r1;
+
+                       double z = (r2 - mu2) / sigma2;
+                       double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+                       sum += curve[j].second * gaussian;
+               }
+
+               double z = (r1 - mu1) / sigma1;
+               double gaussian = exp(-(z*z/2.0));
+               newcurve.push_back(make_pair(r1, gaussian * sum));
+       }
+
+
+       double mu_est, sigma_est;
+       normalize(newcurve);
+       estimate_musigma(newcurve, mu_est, sigma_est);
+       least_squares(newcurve, mu_est, sigma_est, mu, sigma);
+}
+
 int main(int argc, char **argv)
 {
+       FILE *fp = fopen("fftw-wisdom", "rb");
+       if (fp != NULL) {
+               fftw_import_wisdom_from_file(fp);
+               fclose(fp);
+       }
+
        double mu1 = atof(argv[1]);
        double sigma1 = atof(argv[2]);
        double mu2 = atof(argv[3]);
        double sigma2 = atof(argv[4]);
 
-       if (argc > 6) {
+       if (argc > 10) {
+               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 > 8) {
+               double mu3 = atof(argv[5]);
+               double sigma3 = atof(argv[6]);
+               double mu4 = atof(argv[7]);
+               double sigma4 = atof(argv[8]);
+               int k = atoi(argv[9]);
+               
+               // assess all possible scores
+               for (int i = 0; i < k; ++i) {
+                       double newmu1_1, newmu1_2, newmu2_1, newmu2_2;
+                       double newsigma1_1, newsigma1_2, newsigma2_1, newsigma2_2;
+                       compute_new_double_rating(mu1, sigma1, mu2, sigma2, mu3, sigma3, mu4, sigma4, k, i, newmu1_1, newsigma1_1);
+                       compute_new_double_rating(mu2, sigma2, mu1, sigma1, mu3, sigma3, mu4, sigma4, k, i, newmu1_2, newsigma1_2);
+                       compute_new_double_rating(mu3, sigma3, mu4, sigma4, mu1, sigma1, mu2, sigma2, i, k, newmu2_1, newsigma2_1);
+                       compute_new_double_rating(mu4, sigma4, mu3, sigma3, mu1, sigma1, mu2, sigma2, i, k, newmu2_2, newsigma2_2);
+                       printf("%u-%u,%f,%+f,%+f,%+f,%+f\n",
+                               k, i, prob_score(k, i, mu3+mu4-(mu1+mu2)), newmu1_1-mu1, newmu1_2-mu2,
+                               newmu2_1-mu3, newmu2_2-mu4);
+               }
+               for (int i = k; i --> 0; ) {
+                       double newmu1_1, newmu1_2, newmu2_1, newmu2_2;
+                       double newsigma1_1, newsigma1_2, newsigma2_1, newsigma2_2;
+                       compute_new_double_rating(mu1, sigma1, mu2, sigma2, mu3, sigma3, mu4, sigma4, i, k, newmu1_1, newsigma1_1);
+                       compute_new_double_rating(mu2, sigma2, mu1, sigma1, mu3, sigma3, mu4, sigma4, i, k, newmu1_2, newsigma1_2);
+                       compute_new_double_rating(mu3, sigma3, mu4, sigma4, mu1, sigma1, mu2, sigma2, k, i, newmu2_1, newsigma2_1);
+                       compute_new_double_rating(mu4, sigma4, mu3, sigma3, mu1, sigma1, mu2, sigma2, k, i, newmu2_2, newsigma2_2);
+                       printf("%u-%u,%f,%+f,%+f,%+f,%+f\n",
+                               i, k, prob_score(k, i, mu1+mu2-(mu3+mu4)), newmu1_1-mu1, newmu1_2-mu2,
+                               newmu2_1-mu3, newmu2_2-mu4);
+               }
+       } else if (argc > 6) {
                int score1 = atoi(argv[5]);
                int score2 = atoi(argv[6]);
                double mu, sigma;
@@ -425,5 +498,11 @@ int main(int argc, char **argv)
                                i, k, prob_score(k, i, mu1-mu2), newmu1-mu1, newmu2-mu2);
                }
        }
+       
+       fp = fopen("fftw-wisdom", "wb");
+       if (fp != NULL) {
+               fftw_export_wisdom_to_file(fp);
+               fclose(fp);
+       }
 }