src/gromacs/gmxana/gstat.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifndef GMX_GMXANA_GSTAT_H
  38 #define GMX_GMXANA_GSTAT_H
  39
  40 #include "../legacyheaders/typedefs.h"
  41 #include "../legacyheaders/oenv.h"
  42 #include "../commandline/pargs.h"
  43 #include "../topology/index.h"
  44 #include "../topology/residuetypes.h"
  45
  46 #ifdef __cplusplus
  47 extern "C" {
  48 #endif
  49
  50 /***********************************************
  51  *
  52  *     A U T O C O R R E L A T I O N
  53  *
  54  ***********************************************/
  55
  56 real LegendreP(real x, unsigned long m);
  57
  58 #define eacNormal (1<<0)
  59 #define eacCos    (1<<1)
  60 #define eacVector (1<<2)
  61 #define eacRcross (1<<3  | eacVector)
  62 #define eacP0     (1<<4  | eacVector)
  63 #define eacP1     (1<<5  | eacVector)
  64 #define eacP2     (1<<6  | eacVector)
  65 #define eacP3     (1<<7  | eacVector)
  66 #define eacP4     (1<<8  | eacVector)
  67 #define eacIden   (1<<9)
  68
  69 enum {
  70     effnNONE, effnEXP1, effnEXP2, effnEXP3,   effnVAC,
  71     effnEXP5, effnEXP7, effnEXP9, effnERF, effnERREST, effnNR
  72 };
  73
  74 /* must correspond with 'leg' g_chi.c:727 */
  75 enum {
  76     edPhi = 0, edPsi, edOmega, edChi1, edChi2, edChi3, edChi4, edChi5, edChi6, edMax
  77 };
  78
  79 enum {
  80     edPrintST = 0, edPrintRO
  81 };
  82
  83 #define NHISTO 360
  84 #define NONCHI 3
  85 #define MAXCHI edMax-NONCHI
  86 #define NROT 4  /* number of rotamers: 1=g(-), 2=t, 3=g(+), 0=other */
  87
  88 typedef struct {
  89     int minCalpha, minC, H, N, C, O, Cn[MAXCHI+3];
  90 } t_dihatms; /* Cn[0]=N, Cn[1]=Ca, Cn[2]=Cb etc. */
  91
  92 typedef struct {
  93     char       name[12];
  94     int        resnr;
  95     int        index;     /* Index for amino acids (histograms) */
  96     int        j0[edMax]; /* Index in dih array (phi angle is first...) */
  97     t_dihatms  atm;
  98     int        b[edMax];
  99     int        ntr[edMax];
 100     real       S2[edMax];
 101     real       rot_occ[edMax][NROT];
 102
 103 } t_dlist;
 104
 105 extern const int   nfp_ffn[effnNR];
 106
 107 extern const char *s_ffn[effnNR+2];
 108
 109 extern const char *longs_ffn[effnNR];
 110
 111 int sffn2effn(const char **sffn);
 112 /* Returns the ffn enum corresponding to the selected enum option in sffn */
 113
 114 t_pargs *add_acf_pargs(int *npargs, t_pargs *pa);
 115 /* Add options for autocorr to the current set of options.
 116  * *npargs must be initialised to the number of elements in pa,
 117  * it will be incremented appropriately.
 118  */
 119
 120 void cross_corr(int n, real f[], real g[], real corr[]);
 121 /* Simple minded cross correlation algorithm */
 122
 123 real fit_acf(int ncorr, int fitfn, const output_env_t oenv, gmx_bool bVerbose,
 124              real tbeginfit, real tendfit, real dt, real c1[], real *fit);
 125 /* Fit an ACF to a given function */
 126
 127 void do_autocorr(const char *fn, const output_env_t oenv,
 128                  const char *title,
 129                  int nframes, int nitem, real **c1,
 130                  real dt, unsigned long mode, gmx_bool bAver);
 131 /* Calls low_do_autocorr (see below). After calling add_acf_pargs */
 132
 133 void low_do_autocorr(const char *fn, const output_env_t oenv,
 134                      const char *title, int  nframes, int nitem,
 135                      int nout, real **c1, real dt, unsigned long mode,
 136                      int nrestart, gmx_bool bAver, gmx_bool bNormalize,
 137                      gmx_bool bVerbose, real tbeginfit, real tendfit,
 138                      int nfitparm);
 139 /*
 140  * do_autocorr calculates autocorrelation functions for many things.
 141  * It takes a 2 d array containing nitem arrays of length nframes
 142  * for each item the ACF is calculated.
 143  *
 144  * A number of "modes" exist for computation of the ACF
 145  *
 146  * if (mode == eacNormal) {
 147  *   C(t) = < X (tau) * X (tau+t) >
 148  * }
 149  * else if (mode == eacCos) {
 150  *   C(t) = < cos (X(tau) - X(tau+t)) >
 151  * }
 152  * else if (mode == eacIden) { **not fully supported yet**
 153  *   C(t) = < (X(tau) == X(tau+t)) >
 154  * }
 155  * else if (mode == eacVector) {
 156  *   C(t) = < X(tau) * X(tau+t)
 157  * }
 158  * else if (mode == eacP1) {
 159  *   C(t) = < cos (X(tau) * X(tau+t) >
 160  * }
 161  * else if (mode == eacP2) {
 162  *   C(t) = 1/2 * < 3 cos (X(tau) * X(tau+t) - 1 >
 163  * }
 164  * else if (mode == eacRcross) {
 165  *   C(t) = < ( X(tau) * X(tau+t) )^2 >
 166  * }
 167  *
 168  * For modes eacVector, eacP1, eacP2 and eacRcross the input should be
 169  * 3 x nframes long, where each triplet is taken as a 3D vector
 170  *
 171  * For mode eacCos inputdata must be in radians, not degrees!
 172  *
 173  * Other parameters are:
 174  *
 175  * fn is output filename (.xvg) where the correlation function(s) are printed
 176  * title is the title in the output file
 177  * nframes is the number of frames in the time series
 178  * nitem is the number of items
 179  * c1       is an array of dimension [ 0 .. nitem-1 ] [ 0 .. nframes-1 ]
 180  *          on output, this array is filled with the correlation function
 181  *          to reduce storage
 182  * nrestart     is the number of steps between restarts for direct ACFs
 183  *              (i.e. without FFT) When set to 1 all points are used as
 184  *              time origin for averaging
 185  * dt       is the time between frames
 186  * bAver    If set, all ndih C(t) functions are averaged into a single
 187  *          C(t)
 188  * (bFour       If set, will use fast fourier transform (FFT) for evaluating
 189  *              the ACF: removed option, now on the command line only)
 190  * bNormalize   If set, all ACFs will be normalized to start at 0
 191  * nskip        Determines whether steps a re skipped in the output
 192  */
 193
 194 typedef struct {
 195     const char *name;    /* Description of the J coupling constant */
 196     real        A, B, C; /* Karplus coefficients */
 197     real        offset;  /* Offset for dihedral angle in histogram (e.g. -M_PI/3) */
 198     real        Jc;      /* Resulting Jcoupling */
 199     real        Jcsig;   /* Standard deviation in Jc */
 200 } t_karplus;
 201
 202 void calc_distribution_props(int nh, int histo[],
 203                              real start, int  nkkk, t_karplus kkk[],
 204                              real *S2);
 205 /* This routine takes a dihedral distribution and calculates
 206  * coupling constants and dihedral order parameters of it.
 207  *
 208  * nh      is the number of points
 209  * histo   is the array of datapoints which is assumed to span
 210  *         2 M_PI radians
 211  * start   is the starting angle of the histogram, this can be either 0
 212  *         or -M_PI
 213  * nkkk    is the number of karplus sets (multiple coupling constants may be
 214  *         derived from a single angle)
 215  * kkk     are the constants for calculating J coupling constants using a
 216  *         Karplus equation according to
 217  *
 218  *                  2
 219  *         J = A cos theta + B cos theta + C
 220  *
 221  *         where theta is phi - offset (phi is the angle in the histogram)
 222  * offset  is subtracted from phi before substitution in the Karplus
 223  *         equation
 224  * S2      is the resulting dihedral order parameter
 225  *
 226  */
 227
 228
 229 /***********************************************
 230  *
 231  *     F I T   R O U T I N E S
 232  *
 233  ***********************************************/
 234 void do_expfit(int ndata, real c1[], real dt,
 235                real begintimefit, real endtimefit);
 236
 237 void expfit(int n, real x[], real y[], real Dy[],
 238             real *a, real *sa,
 239             real *b, real *sb);
 240 /* This procedure fits y=exp(a+bx) for n (x,y) pairs to determine a and b.
 241  * The uncertainties in the y values must be in the vector Dy.
 242  * The standard deviations of a and b, sa and sb, are also calculated.
 243  *
 244  * Routine from Computers in physics, 7(3) (1993), p. 280-285.
 245  */
 246
 247 void ana_dih_trans(const char *fn_trans, const char *fn_histo,
 248                    real **dih, int nframes, int nangles,
 249                    const char *grpname, real *time, gmx_bool bRb,
 250                    const output_env_t oenv);
 251 /*
 252  * Analyse dihedral transitions, by counting transitions per dihedral
 253  * and per frame. The total number of transitions is printed to
 254  * stderr, as well as the average time between transitions.
 255  *
 256  * is wrapper to low_ana_dih_trans, which also passes in and out the
 257      number of transitions per dihedral per residue. that uses struc dlist
 258      which is not external, so pp2shift.h must be included.
 259
 260  * Dihedrals are supposed to be in either of three minima,
 261  * (trans, gauche+, gauche-)
 262  *
 263  * fn_trans  output file name for #transitions per timeframe
 264  * fn_histo  output file name for transition time histogram
 265  * dih       the actual dihedral angles
 266  * nframes   number of times frames
 267  * nangles   number of angles
 268  * grpname   a string for the header of plots
 269  * time      array (size nframes) of times of trajectory frames
 270  * bRb       determines whether the polymer convention is used
 271  *           (trans = 0)
 272  */
 273
 274 void low_ana_dih_trans(gmx_bool bTrans, const char *fn_trans,
 275                        gmx_bool bHisto, const char *fn_histo, int maxchi,
 276                        real **dih, int nlist, t_dlist dlist[],
 277                        int nframes, int nangles, const char *grpname,
 278                        int multiplicity[], real *time, gmx_bool bRb,
 279                        real core_frac, const output_env_t oenv);
 280 /* as above but passes dlist so can copy occupancies into it, and multiplicity[]
 281  *  (1..nangles, corresp to dih[this][], so can have non-3 multiplicity of
 282  * rotamers. Also production of xvg output files is conditional
 283  * and the fractional width of each rotamer can be set ie for a 3 fold
 284  * dihedral with core_frac = 0.5 only the central 60 degrees is assigned
 285  * to each rotamer, the rest goes to rotamer zero */
 286
 287
 288
 289 void read_ang_dih(const char *trj_fn,
 290                   gmx_bool bAngles, gmx_bool bSaveAll, gmx_bool bRb, gmx_bool bPBC,
 291                   int maxangstat, int angstat[],
 292                   int *nframes, real **time,
 293                   int isize, atom_id index[],
 294                   real **trans_frac,
 295                   real **aver_angle,
 296                   real *dih[],
 297                   const output_env_t oenv);
 298 /*
 299  * Read a trajectory and calculate angles and dihedrals.
 300  *
 301  * trj_fn      file name of trajectory
 302  * tpb_fn      file name of tpb file
 303  * bAngles     do we have to read angles or dihedrals
 304  * bSaveAll    do we have to store all in the dih array
 305  * bRb         do we have Ryckaert-Bellemans dihedrals (trans = 0)
 306  * bPBC        compute angles module 2 Pi
 307  * maxangstat  number of entries in distribution array
 308  * angstat     angle distribution
 309  * *nframes    number of frames read
 310  * time        simulation time at each time frame
 311  * isize       number of entries in the index, when angles 3*number of angles
 312  *             else 4*number of angles
 313  * index       atom numbers that define the angles or dihedrals
 314  *             (i,j,k) resp (i,j,k,l)
 315  * trans_frac  number of dihedrals in trans
 316  * aver_angle  average angle at each time frame
 317  * dih         all angles at each time frame
 318  */
 319
 320 void make_histo(FILE *log,
 321                 int ndata, real data[], int npoints, int histo[],
 322                 real minx, real maxx);
 323 /*
 324  * Make a histogram from data. The min and max of the data array can
 325  * be determined (if minx == 0 and maxx == 0)
 326  * and the index in the histogram is computed from
 327  * ind = npoints/(max(data) - min(data))
 328  *
 329  * log       write error output to this file
 330  * ndata     number of points in data
 331  * data      data points
 332  * npoints   number of points in histogram
 333  * histo     histogram array. This is NOT set to zero, to allow you
 334  *           to add multiple histograms
 335  * minx      start of the histogram
 336  * maxx      end of the histogram
 337  *           if both are 0, these values are computed by the routine itself
 338  */
 339
 340 void normalize_histo(int npoints, int histo[], real dx, real normhisto[]);
 341 /*
 342  * Normalize a histogram so that the integral over the histo is 1
 343  *
 344  * npoints    number of points in the histo array
 345  * histo      input histogram
 346  * dx         distance between points on the X-axis
 347  * normhisto  normalized output histogram
 348  */
 349
 350 real fit_function(int eFitFn, real *parm, real x);
 351 /* Returns the value of fit function eFitFn at x */
 352
 353 /* Use Levenberg-Marquardt method to fit to a nfitparm parameter exponential */
 354 /* or to a transverse current autocorrelation function */
 355 /* Or: "There is no KILL like OVERKILL", Dr. Ir. D. van der Spoel */
 356 real do_lmfit(int ndata, real c1[], real sig[], real dt, real *x,
 357               real begintimefit, real endtimefit, const output_env_t oenv,
 358               gmx_bool bVerbose, int eFitFn, real fitparms[], int fix);
 359 /* Returns integral.
 360  * If x == NULL, the timestep dt will be used to create a time axis.
 361  * fix fixes fit parameter i at it's starting value, when the i'th bit
 362  * of fix is set.
 363  */
 364
 365 real evaluate_integral(int n, real x[], real y[], real dy[],
 366                        real aver_start, real *stddev);
 367 /* Integrate data in y, and, if given, use dy as weighting
 368  * aver_start should be set to a value where the function has
 369  * converged to 0.
 370  */
 371
 372 real print_and_integrate(FILE *fp, int n, real dt,
 373                          real c[], real *fit, int nskip);
 374 /* Integrate the data in c[] from 0 to n using trapezium rule.
 375  * If fp != NULL output is written to it
 376  * nskip determines whether all elements are written to the output file
 377  * (written when i % nskip == 0)
 378  * If fit != NULL the fit is also written.
 379  */
 380
 381 int get_acfnout(void);
 382 /* Return the output length for the correlation function
 383  * Works only AFTER do_auto_corr has been called!
 384  */
 385
 386 int get_acffitfn(void);
 387 /* Return the fit function type.
 388  * Works only AFTER do_auto_corr has been called!
 389  */
 390
 391 /* Routines from pp2shift (anadih.c etc.) */
 392
 393 void do_pp2shifts(FILE *fp, int nframes,
 394                   int nlist, t_dlist dlist[], real **dih);
 395
 396 gmx_bool has_dihedral(int Dih, t_dlist *dl);
 397
 398 t_dlist *mk_dlist(FILE *log,
 399                   t_atoms *atoms, int *nlist,
 400                   gmx_bool bPhi, gmx_bool bPsi, gmx_bool bChi, gmx_bool bHChi,
 401                   int maxchi, int r0, gmx_residuetype_t rt);
 402
 403 void pr_dlist(FILE *fp, int nl, t_dlist dl[], real dt,  int printtype,
 404               gmx_bool bPhi, gmx_bool bPsi, gmx_bool bChi, gmx_bool bOmega, int maxchi);
 405
 406 int pr_trans(FILE *fp, int nl, t_dlist dl[], real dt, int Xi);
 407
 408 void mk_chi_lookup (int **lookup, int maxchi,
 409                     int nlist, t_dlist dlist[]);
 410
 411 void mk_multiplicity_lookup (int *multiplicity, int maxchi,
 412                              int nlist, t_dlist dlist[], int nangle);
 413
 414 void get_chi_product_traj (real **dih, int nframes,
 415                            int nlist, int maxchi, t_dlist dlist[],
 416                            real time[], int **lookup, int *multiplicity,
 417                            gmx_bool bRb, gmx_bool bNormalize,
 418                            real core_frac, gmx_bool bAll, const char *fnall,
 419                            const output_env_t oenv);
 420
 421 void print_one (const output_env_t oenv, const char *base,
 422                 const char *name,
 423                 const char *title, const char *ylabel, int nf,
 424                 real time[], real data[]);
 425
 426 /* Routines from g_hbond */
 427 void analyse_corr(int n, real t[], real ct[], real nt[], real kt[],
 428                   real sigma_ct[], real sigma_nt[], real sigma_kt[],
 429                   real fit_start, real temp, real smooth_tail_start,
 430                   const output_env_t oenv);
 431
 432 void compute_derivative(int nn, real x[], real y[], real dydx[]);
 433
 434 #ifdef __cplusplus
 435 }
 436 #endif
 437
 438 #endif