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|
#ifndef BIONJ_H
#define BIONJ_H
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; ;
; BIONJ program ;
; was obtained from http://www.lirmm.fr/~w3ifa/MAAS/BIONJ/BIONJ.html ; ;
; ;
; 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) ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#define PREC 8 /* precision of branch-lengths */
#define PRC 100
#define LEN 1000 /* length of taxon names */
class BioNj {
typedef struct word
{
char name[LEN];
struct word *suiv;
}WORD;
typedef struct pointers
{
WORD *head;
WORD *tail;
}POINTERS;
/*
void Initialize(float **delta, FILE *input, int n, POINTERS *trees);
void Compute_sums_Sx(float **delta, int n);
void Best_pair(float **delta, int r, int *a, int *b, int n);
void Finish(float **delta, int n, POINTERS *trees, FILE *output);
void Concatenate(char chain1[LEN], int ind, POINTERS *trees, int post);
void Print_output(int i, POINTERS *trees, FILE *output);
float Distance(int i, int j, float **delta);
float Variance(int i, int j, float **delta);
float Sum_S(int i, float **delta);
float Agglomerative_criterion(int i, int j, float **delta, int r);
float Branch_length(int a, int b, float **delta, int r);
float Reduction4(int a, float la, int b, float lb, int i, float lamda,
float **delta);
float Reduction10(int a, int b, int i, float lamda, float vab, float
**delta);
float Lamda(int a, int b, float vab, float **delta, int n, int r);
float Finish_branch_length(int i, int j, int k, float **delta);
int Emptied(int i, float **delta);
int Symmetrize(float **delta, int n);
*/
/*;;;;;;;;;;; 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 : ;
; float **delta : delta matrix ;
; FILE *input : pointer to input file ;
; int n : number of taxa ;
; char **trees : list of taxa ;
; ;
; return value: ;
; float **delta : delta matrix ;
; char *trees : list of taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Initialize(float **delta, FILE *input, int n, POINTERS *trees)
{
int lig; /* matrix line */
int col; /* matrix column */
float 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,"%f",&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. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Print_output(int i, POINTERS *trees, FILE *output)
{
WORD *parcour;
parcour=trees[i].head;
while(parcour != NULL)
{
fprintf(output,"%s",parcour->name);
parcour=parcour->suiv;
}
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Utilities ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; Symmetrize ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Description : This function verifies if the delta matrix is symmetric; ;
; if not the matrix is made symmetric. ;
; ;
; input : ;
; float **delta : delta matrix ;
; int n : number of taxa ;
; ;
; return value: ;
; int symmetric : indicate if the matrix has been made ;
; symmetric or not ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
int Symmetrize(float **delta, int n)
{
int lig; /* matrix line */
int col; /* matrix column */
float 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 ;
; float **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; float distance : dissimilarity between the two taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
float Distance(int i, int j, float **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 ;
; float **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; float distance : the variance of Dij ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
float Variance(int i, int j, float **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 ;
; float **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; 0 : if not emptied. ;
; 1 : if emptied. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
int Emptied(int i, float **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 ;
; float **delta : the delta matrix ;
; ;
; return value: ;
; float delta[i][i] : sum Si ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
float Sum_S(int i, float **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 : ;
; float **delta : the delta matrix. ;
; int n : the number of taxa ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Compute_sums_Sx(float **delta, int n)
{
float sum;
sum = 0.0;
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 : ;
; float **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(float **delta, int r, int *a, int *b, int n)
{
float Qxy; /* value of the criterion calculated*/
int x,y; /* the pair which is tested */
float Qmin; /* current minimun of the criterion */
Qmin=1.0e300;
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 ;
; float **delta : ;
; ;
; return value: ;
; float length : The length of the branch ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
float Finish_branch_length(int i, int j, int k, float **delta)
{
float 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 : ;
; float **delta : the delta matrix ;
; int n : the number of taxa ;
; WORD *trees : list of subtrees ;
; ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
void Finish(float **delta, int n, POINTERS *trees, FILE *output)
{
int l=1;
int i=0;
float length;
char *str;
WORD *bidon;
WORD *ele;
int last[3]; /* the last three subtrees */
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);
fprintf(output,"(");
Print_output(last[0],trees,output);
fprintf(output,":");
/* gcvt(length,PREC, str); */
/* fprintf(output,"%s,",str); */
fprintf(output,"%10.8f,",length);
length=Finish_branch_length(last[1],last[0],last[2],delta);
Print_output(last[1],trees,output);
fprintf(output,":");
/* gcvt(length,PREC, str); */
/* fprintf(output,"%s,",str); */
fprintf(output,"%10.8f,",length);
length=Finish_branch_length(last[2],last[1],last[0],delta);
Print_output(last[2],trees,output);
fprintf(output,":");
/* gcvt(length,PREC,str); */
/* fprintf(output,"%s",str); */
fprintf(output,"%10.8f",length);
fprintf(output,");");
fprintf(output,"\n");
for(i=0; i < 3; i++)
{
bidon=trees[last[i]].head;
ele=bidon;
while(bidon!=NULL)
{
ele=ele->suiv;
free(bidon);
bidon=ele;
}
}
free(str);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*\
; ;
; Formulae ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
float Agglomerative_criterion(int i, int j, float **delta, int r)
{
float Qij;
Qij=(r-2)*Distance(i,j,delta) /* Formula (1) */
-Sum_S(i,delta)
-Sum_S(j,delta);
return(Qij);
}
float Branch_length(int a, int b, float **delta, int r)
{
float length;
length=0.5*(Distance(a,b,delta) /* Formula (2) */
+(Sum_S(a,delta)
-Sum_S(b,delta))/(r-2));
return(length);
}
float Reduction4(int a, float la, int b, float lb, int i, float lamda,
float **delta)
{
float Dui;
Dui=lamda*(Distance(a,i,delta)-la)
+(1-lamda)*(Distance(b,i,delta)-lb); /* Formula (4) */
return(Dui);
}
float Reduction10(int a, int b, int i, float lamda, float vab,
float **delta)
{
float Vci;
Vci=lamda*Variance(a,i,delta)+(1-lamda)*Variance(b,i,delta)
-lamda*(1-lamda)*vab; /*Formula (10) */
return(Vci);
}
float Lamda(int a, int b, float vab, float **delta, int n, int r)
{
float 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);
}
/*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; ;
; 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. ;
; ;
\*;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;*/
public :
int create(const char *inputFile, const char *outputFile) {
FILE *input; /* pointer to input file */
FILE *output; /* pointer to output file */
POINTERS *trees; /* list of subtrees */
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 */
float **delta; /* delta matrix */
float la; /* first taxon�s branch-length */
float lb; /* second taxon�s branch-length*/
float vab; /* variance of Dab */
float lamda;
int i;
int ok;
int r; /* number of subtrees */
int n; /* number of taxa */
int x, y;
//float t;
/* 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));
input= fopen(inputFile,"r");
fscanf(input,"%d",&n);
output= fopen(outputFile,"w");
/* Create the delta matrix */
delta=(float **)calloc(n+1,sizeof(float*));
for(i=1; i<= n; i++)
{
delta[i]=(float *)calloc(n+1, sizeof(float));
if(delta[i] == NULL)
{
printf("Out of memories!!");
exit(0);
}
}
trees=(POINTERS *)calloc(n+1,sizeof(POINTERS));
if(trees == NULL)
{
printf("Out of memories!!");
exit(0);
}
/* initialise and symmetrize the running delta matrix */
rewind(input);
while(fscanf(input,"%d",&n) != EOF )
{
r=n;
*a=0;
*b=0;
Initialize(delta, input, n, trees);
ok=Symmetrize(delta, n);
if(!ok)
printf("\n The matrix is not symmetric.\n ");
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),"%10.8f",la);
/* gcvt(la,PREC, chain2); */
/* strcat(chain1, chain2); */
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),"%10.8f",lb);
/* gcvt(lb, PREC, chain2); */
/* strcat(chain1, chain2); */
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=r-1; /* decrease r */
}
Finish(delta, n, trees, output); /* compute the branch-lengths*/
for(i=1; i<=n; i++) /* of the last three subtrees*/
{ /* and print the tree in the */
delta[i][0]=0.0; /* output-file */
trees[i].head=NULL;
trees[i].tail=NULL;
}
}
free(trees);
for(i=n; i>=1; i--)
{
free(delta[i]);
}
free(delta);
/* Minh free memory-leak */
free(chain2);
free(chain1);
free(b);
free(a);
free(Name_fich2);
free(Name_fich1);
/* Minh done */
fclose(input);
fclose(output);
return 0;
}
};
#endif
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