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/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; ;
; BIONJ program ;
; ;
; Olivier Gascuel ;
; ;
; GERAD - Montreal- Canada ;
; olivierg@crt.umontreal.ca ;
; ;
; LIRMM - Montpellier- France ;
; gascuel@lirmm.fr ;
; ;
; UNIX version, written in C ;
; by Hoa Sien Cuong (Univ. Montreal) ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
// Test case 1
#include "Divvier.h"
#include "Tree.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
using namespace::std;
#define PREC 8 /* precision of branch-lengths */
#define PRC 100
#define LEN 10000 /* length of taxon names */
typedef struct word
{
char name[LEN];
struct word *suiv;
}WORD;
typedef struct pointers
{
WORD *head;
WORD *tail;
}POINTERS;
void Initialize(double **delta, FILE *input, int n, POINTERS *trees);
void Compute_sums_Sx(double **delta, int n);
void Best_pair(double **delta, int r, int *a, int *b, int n);
string Finish(double **delta, int n, POINTERS *trees);
void Concatenate(char chain1[LEN], int ind, POINTERS *trees, int post);
string Print_output(int i, POINTERS *trees);
double Distance(int i, int j, double **delta);
double Variance(int i, int j, double **delta);
double Sum_S(int i, double **delta);
double Agglomerative_criterion(int i, int j, double **delta, int r);
double Branch_length(int a, int b, double **delta, int r);
double Reduction4(int a, double la, int b, double lb, int i, double lamda,
double **delta);
double Reduction10(int a, int b, int i, double lamda, double vab, double
**delta);
double Lamda(int a, int b, double vab, double **delta, int n, int r);
double Finish_branch_length(int i, int j, int k, double **delta);
int Emptied(int i, double **delta);
int Symmetrize(double **delta, int n);
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; ;
; Main program ;
; ;
; argc is the number of arguments ;
; **argv contains the arguments: ;
; the first argument has to be BIONJ; ;
; the second is the inptu-file; ;
; the third is the output-file. ;
; When the input and output files are ;
; not given, the user is asked for them. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
string DoBioNJ(vector <double> PWdists, vector <string> Names, bool DoNumbers) {
POINTERS *trees; /* list of subtrees */
WORD *name; /* Used for transferring sequence names */
char *Name_fich1; /* name of the input file */
char *Name_fich2; /* name of the output file */
char *chain1; /* stringized branch-length */
char *chain2; /* idem */
int *a, *b; /* pair to be agglomerated */
double la; /* first taxon�s branch-length */
double lb; /* second taxon�s branch-length*/
double vab; /* variance of Dab */
double lamda;
double **delta;
int i,j,k,r,x,y,n = (int) Names.size();
string return_tree;
/* Allocation of memories */
Name_fich1=(char*)calloc(LEN,sizeof(char));
Name_fich2=(char*)calloc(LEN,sizeof(char));
a=(int*)calloc(1,sizeof(int));
b=(int*)calloc(1,sizeof(int));
chain1=(char *)calloc(LEN,sizeof(char));
chain2=(char *)calloc(LEN,sizeof(char));
GET_MEM(delta,double*,n+1); FOR(i,n+1) { GET_MEM(delta[i],double,n+1); }
FOR(i,n+1){ delta[0][i] = 0.0; delta[i][0] = 0.0; }
k=0; for(i=1;i<=n;i++) { for(j=1;j<=n;j++) { delta[i][j] = PWdists[k++]; } }
// Assign names
trees=(POINTERS *)calloc(n+1,sizeof(POINTERS));
for(i = 1; i <= n; i++) {
name = (WORD *) calloc(1,sizeof(WORD));
if(DoNumbers) { strcpy(name->name,int_to_string(i).c_str());
} else { strcpy(name->name,Names[i-1].c_str()); }
assert(name != NULL);
name->suiv = NULL;
trees[i].head = name;
trees[i].tail = name;
}
/* initialise and symmetrize the running delta matrix */
r=n;
*a=0;
*b=0;
// Do bionj
while (r > 3) { /* until r=3 */
Compute_sums_Sx(delta, n); /* compute the sum Sx */
Best_pair(delta, r, a, b, n); /* find the best pair by */
vab=Variance(*a, *b, delta); /* minimizing (1) */
la=Branch_length(*a, *b, delta, r); /* compute branch-lengths */
lb=Branch_length(*b, *a, delta, r); /* using formula (2) */
lamda=Lamda(*a, *b, vab, delta, n, r); /* compute lambda* using (9)*/
for(i=1; i <= n; i++) {
if(!Emptied(i,delta) && (i != *a) && (i != *b)) {
if(*a > i) { x=*a; y=i; }
else { x=i; y=*a; } /* apply reduction formulae */
/* 4 and 10 to delta */
delta[x][y]=Reduction4(*a, la, *b, lb, i, lamda, delta);
delta[y][x]=Reduction10(*a, *b, i, lamda, vab, delta);
} }
strcpy(chain1,""); /* agglomerate the subtrees */
strcat(chain1,"("); /* a and b together with the*/
Concatenate(chain1, *a, trees, 0); /* branch-lengths according */
strcpy(chain1,""); /* to the NEWSWICK format */
strcat(chain1,":");
sprintf(chain1+strlen(chain1),"%f",my_max(la,0));
strcat(chain1,",");
Concatenate(chain1,*a, trees, 1);
trees[*a].tail->suiv=trees[*b].head;
trees[*a].tail=trees[*b].tail;
strcpy(chain1,"");
strcat(chain1,":");
sprintf(chain1+strlen(chain1),"%f",my_max(lb,0));
strcat(chain1,")");
Concatenate(chain1, *a, trees, 1);
delta[*b][0]=1.0; /* make the b line empty */
trees[*b].head=NULL;
trees[*b].tail=NULL;
r--; /* decrease r */
}
return_tree = Finish(delta, n, trees); /* compute the branch-lengths*/
for(i=1; i<=n; i++) { /* of the last three subtrees*/
delta[i][0]=0.0; /* and print the tree in the */
trees[i].head=NULL; /* output-file */
trees[i].tail=NULL;
}
// Clear memory (added by SW)
free(trees);
free(a); free(b); free(Name_fich1); free(Name_fich2);
free(chain1); free(chain2);
FOR(i,n+1) { delete [] delta[i]; } delete [] delta;
return return_tree;
}
/*;;;;;;;;;;; INPUT, OUTPUT, INITIALIZATION ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; ;
; ;
; The delta matrix is read from the input-file. ;
; It is recommended to put it and the executable in ;
; a special directory. The input-file and output-file ;
; can be given as arguments to the executable by ;
; typing them after the executable (Bionj input-file ;
; output-file) or by typing them when asked by the ;
; program. The input-file has to be formated according ;
; the PHYLIP standard. The output file is formated ;
; according to the NEWSWICK standard. ;
; ;
; The lower-half of the delta matrix is occupied by ;
; dissimilarities. The upper-half of the matrix is ;
; occupied by variances. The first column ;
; is initialized as 0; during the algorithm some ;
; indices are no more used, and the corresponding ;
; positions in the first column are set to 1. ;
; ;
; This delta matix is made symmetrical using the rule: ;
; Dij = Dji <- (Dij + Dji)/2. The diagonal is set to 0; ;
; during the further steps of the algorithm, it is used ;
; to store the sums Sx. ;
; ;
; A second array, trees, is used to store taxon names. ;
; During the further steps of the algoritm, some ;
; positions in this array are emptied while the others ;
; are used to store subtrees. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; Initialize ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function reads an input file and return the ;
; delta matrix and trees: the list of taxa. ;
; ;
; input : ;
; double **delta : delta matrix ;
; FILE *input : pointer to input file ;
; int n : number of taxa ;
; char **trees : list of taxa ;
; ;
; return value: ;
; double **delta : delta matrix ;
; char *trees : list of taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Initialize(double **delta, FILE *input, int n, POINTERS *trees)
{
int lig; /* matrix line */
int col; /* matrix column */
double distance;
char name_taxon[LEN]; /* taxon�s name */
WORD *name;
for(lig=1; lig <= n; lig++)
{
fscanf(input,"%s",name_taxon); /* read taxon�s name */
name=(WORD *)calloc(1,sizeof(WORD)); /* taxon�s name is */
if(name == NULL) /* put in trees */
{
printf("Out of memories !!");
exit(0);
}
else
{
strcpy(name->name,name_taxon);
name->suiv=NULL;
trees[lig].head=name;
trees[lig].tail=name;
for(col= 1; col <= n; col++)
{
fscanf(input,"%lf",&distance); /* read the distance */
delta[lig][col]=distance;
}
}
}
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; Print_output;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; ;
; Description : This function prints out the tree in the output file. ;
; ;
; input : ;
; POINTERS *trees : pointer to the subtrees. ;
; int i : indicate the subtree i to be printed. ;
: FILE *output : pointer to the output file. ;
; ;
; return value: The phylogenetic tree in the output file. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
string Print_output(int i, POINTERS *trees)
{
stringstream out;
WORD *parcour;
parcour=trees[i].head;
while(parcour != NULL)
{
out << parcour->name;
parcour=parcour->suiv;
}
return out.str();
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Utilities ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; Symmetrize ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function verifies if the delta matrix is symmetric; ;
; if not the matrix is made symmetric. ;
; ;
; input : ;
; double **delta : delta matrix ;
; int n : number of taxa ;
; ;
; return value: ;
; int symmetric : indicate if the matrix has been made ;
; symmetric or not ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
int Symmetrize(double **delta, int n)
{
int lig; /* matrix line */
int col; /* matrix column */
double value; /* symmetrized value */
int symmetric;
symmetric=1;
for(lig=1; lig <= n; lig++)
{
for(col=1; col< lig; col++)
{
if(delta[lig][col] != delta[col][lig])
{
value= (delta[lig][col]+delta[col][lig])/2;
delta[lig][col]=value;
delta[col][lig]=value;
symmetric=0;
}
}
}
if(!symmetric)
printf("The matrix is not symmetric");
return(symmetric);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; Concatenate ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; ;
; Description : This function concatenates a string to another. ;
; ;
; input : ;
; char *chain1 : the string to be concatenated. ;
; int ind : indicate the subtree to which concatenate the ;
; string ;
; POINTERS *trees : pointer to subtrees. ;
; int post : position to which concatenate (front (0) or ;
; end (1)) ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Concatenate(char chain1[LEN], int ind, POINTERS *trees, int post)
{
WORD *bran;
bran=(WORD *)calloc(1,sizeof(WORD));
if(bran == NULL)
{
printf("Out of memories");
exit(0);
}
else
{
strcpy(bran->name,chain1);
bran->suiv=NULL;
}
if(post == 0)
{
bran->suiv=trees[ind].head;
trees[ind].head=bran;
}
else
{
trees[ind].tail->suiv=bran;
trees[ind].tail=trees[ind].tail->suiv;
}
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Distance;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function retrieve ant return de distance between taxa ;
; i and j from the delta matrix. ;
; ;
; input : ;
; int i : taxon i ;
; int j : taxon j ;
; double **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; double distance : dissimilarity between the two taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
double Distance(int i, int j, double **delta)
{
if(i > j)
return(delta[i][j]);
else
return(delta[j][i]);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Variance;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function retrieve and return the variance of the ;
; distance between i and j, from the delta matrix. ;
; ;
; input : ;
; int i : taxon i ;
; int j : taxon j ;
; double **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; double distance : the variance of Dij ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
double Variance(int i, int j, double **delta)
{
if(i > j)
return(delta[j][i]);
else
return(delta[i][j]);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Emptied ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function verifie if a line is emptied or not. ;
; ;
; input : ;
; int i : subtree (or line) i ;
; double **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; 0 : if not emptied. ;
; 1 : if emptied. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
int Emptied(int i, double **delta) /* test if the ith line is emptied */
{
return((int)delta[i][0]);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Sum_S;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function retrieves the sum Sx from the diagonal ;
; of the delta matrix. ;
; ;
; input : ;
; int i : subtree i ;
; double **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; double delta[i][i] : sum Si ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
double Sum_S(int i, double **delta) /* get sum Si form the diagonal */
{
return(delta[i][i]);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Compute_sums_Sx;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function computes the sums Sx and store them in the ;
; diagonal the delta matrix. ;
; ;
; input : ;
; double **delta : the delta matrix. ;
; int n : the number of taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Compute_sums_Sx(double **delta, int n)
{
double sum = 0;
int i;
int j;
for(i= 1; i <= n ; i++)
{
if(!Emptied(i,delta))
{
sum=0;
for(j=1; j <=n; j++)
{
if(i != j && !Emptied(j,delta)) /* compute the sum Si */
sum=sum + Distance(i,j,delta);
}
}
delta[i][i]=sum; /* store the sum Si in */
} /* delta�s diagonal */
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Best_pair;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function finds the best pair to be agglomerated by ;
; minimizing the agglomerative criterion (1). ;
; ;
; input : ;
; double **delta : the delta matrix ;
; int r : number of subtrees ;
; int *a : contain the first taxon of the pair ;
; int *b : contain the second taxon of the pair ;
; int n : number of taxa ;
; ;
; return value: ;
; int *a : the first taxon of the pair ;
; int *b : the second taxon of the pair ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Best_pair(double **delta, int r, int *a, int *b, int n)
{
double Qxy; /* value of the criterion calculated*/
int x,y; /* the pair which is tested */
double Qmin; /* current minimun of the criterion */
Qmin=BIG_NUMBER;
for(x=1; x <= n; x++)
{
if(!Emptied(x,delta))
{
for(y=1; y < x; y++)
{
if(!Emptied(y,delta))
{
Qxy=Agglomerative_criterion(x,y,delta,r);
if(Qxy < Qmin-0.000001)
{
Qmin=Qxy;
*a=x;
*b=y;
}
}
}
}
}
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Finish_branch_length;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : Compute the length of the branch attached ;
; to the subtree i, during the final step ;
; ;
; input : ;
; int i : position of subtree i ;
; int j : position of subtree j ;
; int k : position of subtree k ;
; double **delta : ;
; ;
; return value: ;
; double length : The length of the branch ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
double Finish_branch_length(int i, int j, int k, double **delta)
{
double length;
length=0.5*(Distance(i,j,delta) + Distance(i,k,delta)
-Distance(j,k,delta));
return length;
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;Finish;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function compute the length of the lasts three ;
; subtrees and write the tree in the output file. ;
; ;
; input : ;
; double **delta : the delta matrix ;
; int n : the number of taxa ;
; WORD *trees : list of subtrees ;
; ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
string Finish(double **delta, int n, POINTERS *trees) {
int l=1;
int i=0;
double length;
char *str;
WORD *bidon;
WORD *ele;
int last[3]; /* the last three subtrees */
stringstream out;
str=(char *)calloc(LEN,sizeof(char));
if(str == NULL) { printf("Out of memories !!"); exit(0); }
while(l <= n) { /* find the last tree subtree */
if(!Emptied(l, delta)) { last[i]=l; i++; }
l++;
}
length=Finish_branch_length(last[0],last[1],last[2],delta);
out << "(" << Print_output(last[0],trees) << ":" << my_max(0,length) << ",";
length=Finish_branch_length(last[1],last[0],last[2],delta);
out << Print_output(last[1],trees) << ":" << my_max(0,length) << ","; // fprintf(output,":"); fprintf(output,"%f,",length);
length=Finish_branch_length(last[2],last[1],last[0],delta);
out << Print_output(last[2],trees) << ":" << my_max(0,length) << ");";
FOR(i,3) {
bidon=trees[last[i]].head;
ele=bidon;
while(bidon!=NULL)
{
ele=ele->suiv;
free(bidon);
bidon=ele;
}
}
free(str);
return out.str();
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Formulae ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
double Agglomerative_criterion(int i, int j, double **delta, int r)
{
double Qij;
Qij=(r-2)*Distance(i,j,delta) /* Formula (1) */
-Sum_S(i,delta)
-Sum_S(j,delta);
return(Qij);
}
double Branch_length(int a, int b, double **delta, int r)
{
double length;
length=0.5*(Distance(a,b,delta) /* Formula (2) */
+(Sum_S(a,delta)
-Sum_S(b,delta))/(r-2));
return(length);
}
double Reduction4(int a, double la, int b, double lb, int i, double lamda,
double **delta)
{
double Dui;
Dui=lamda*(Distance(a,i,delta)-la)
+(1-lamda)*(Distance(b,i,delta)-lb); /* Formula (4) */
return(Dui);
}
double Reduction10(int a, int b, int i, double lamda, double vab,
double **delta)
{
double Vci;
Vci=lamda*Variance(a,i,delta)+(1-lamda)*Variance(b,i,delta)
-lamda*(1-lamda)*vab; /*Formula (10) */
return(Vci);
}
double Lamda(int a, int b, double vab, double **delta, int n, int r)
{
double lamda=0.0;
int i;
if(vab==0.0)
lamda=0.5;
else
{
for(i=1; i <= n ; i++)
{
if(a != i && b != i && !Emptied(i,delta))
lamda=lamda + (Variance(b,i,delta) - Variance(a,i,delta));
}
lamda=0.5 + lamda/(2*(r-2)*vab);
} /* Formula (9) and the */
if(lamda > 1.0) /* constraint that lamda*/
lamda = 1.0; /* belongs to [0,1] */
if(lamda < 0.0)
lamda=0.0;
return(lamda);
}