]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/eja/eja_element.py
eja: define the trace of an element in a trivial algebra.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_element.py
index 8a17c25d4a0d52d98c063f856d888207e2ca74ea..bd45b179541487bd82e3b06768a902a77cd0899d 100644 (file)
@@ -1,3 +1,7 @@
+# -*- coding: utf-8 -*-
+
+from itertools import izip
+
 from sage.matrix.constructor import matrix
 from sage.modules.free_module import VectorSpace
 from sage.modules.with_basis.indexed_element import IndexedFreeModuleElement
 from sage.matrix.constructor import matrix
 from sage.modules.free_module import VectorSpace
 from sage.modules.with_basis.indexed_element import IndexedFreeModuleElement
@@ -32,7 +36,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
         Return ``self`` raised to the power ``n``.
 
         Jordan algebras are always power-associative; see for
         Return ``self`` raised to the power ``n``.
 
         Jordan algebras are always power-associative; see for
-        example Faraut and Koranyi, Proposition II.1.2 (ii).
+        example Faraut and Korányi, Proposition II.1.2 (ii).
 
         We have to override this because our superclass uses row
         vectors instead of column vectors! We, on the other hand,
 
         We have to override this because our superclass uses row
         vectors instead of column vectors! We, on the other hand,
@@ -78,7 +82,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
         elif n == 1:
             return self
         else:
         elif n == 1:
             return self
         else:
-            return (self.operator()**(n-1))(self)
+            return (self**(n-1))*self
 
 
     def apply_univariate_polynomial(self, p):
 
 
     def apply_univariate_polynomial(self, p):
@@ -244,7 +248,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
             sage: x,y = J.random_elements(2)
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
             sage: x,y = J.random_elements(2)
-            sage: x.inner_product(y) in RR
+            sage: x.inner_product(y) in RLF
             True
 
         """
             True
 
         """
@@ -373,7 +377,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             True
 
         Ensure that the determinant is multiplicative on an associative
             True
 
         Ensure that the determinant is multiplicative on an associative
-        subalgebra as in Faraut and Koranyi's Proposition II.2.2::
+        subalgebra as in Faraut and Korányi's Proposition II.2.2::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja().random_element().subalgebra_generated_by()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja().random_element().subalgebra_generated_by()
@@ -403,7 +407,8 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
         SETUP::
 
 
         SETUP::
 
-            sage: from mjo.eja.eja_algebra import (JordanSpinEJA,
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import (ComplexHermitianEJA,
+            ....:                                  JordanSpinEJA,
             ....:                                  random_eja)
 
         EXAMPLES:
             ....:                                  random_eja)
 
         EXAMPLES:
@@ -425,6 +430,13 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: x.inverse() == J.from_vector(x_inverse)
             True
 
             sage: x.inverse() == J.from_vector(x_inverse)
             True
 
+        Trying to invert a non-invertible element throws an error:
+
+            sage: JordanSpinEJA(3).zero().inverse()
+            Traceback (most recent call last):
+            ...
+            ValueError: element is not invertible
+
         TESTS:
 
         The identity element is its own inverse::
         TESTS:
 
         The identity element is its own inverse::
@@ -450,13 +462,32 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: (not x.is_invertible()) or (x.inverse().inverse() == x)
             True
 
             sage: (not x.is_invertible()) or (x.inverse().inverse() == x)
             True
 
-        The zero element is never invertible::
+        Proposition II.2.3 in Faraut and Korányi says that the inverse
+        of an element is the inverse of its left-multiplication operator
+        applied to the algebra's identity, when that inverse exists::
 
             sage: set_random_seed()
 
             sage: set_random_seed()
-            sage: J = random_eja().zero().inverse()
-            Traceback (most recent call last):
-            ...
-            ValueError: element is not invertible
+            sage: J = random_eja()
+            sage: x = J.random_element()
+            sage: (not x.operator().is_invertible()) or (
+            ....:    x.operator().inverse()(J.one()) == x.inverse() )
+            True
+
+        Proposition II.2.4 in Faraut and Korányi gives a formula for
+        the inverse based on the characteristic polynomial and the
+        Cayley-Hamilton theorem for Euclidean Jordan algebras::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = ComplexHermitianEJA(3)
+            sage: x = J.random_element()
+            sage: while not x.is_invertible():
+            ....:     x = J.random_element()
+            sage: r = J.rank()
+            sage: a = x.characteristic_polynomial().coefficients(sparse=False)
+            sage: expected  = (-1)^(r+1)/x.det()
+            sage: expected *= sum( a[i+1]*x^i for i in range(r) )
+            sage: x.inverse() == expected
+            True
 
         """
         if not self.is_invertible():
 
         """
         if not self.is_invertible():
@@ -542,10 +573,11 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
         TESTS:
 
 
         TESTS:
 
-        The identity element is never nilpotent::
+        The identity element is never nilpotent, except in a trivial EJA::
 
             sage: set_random_seed()
 
             sage: set_random_seed()
-            sage: random_eja().one().is_nilpotent()
+            sage: J = random_eja()
+            sage: J.one().is_nilpotent() and not J.is_trivial()
             False
 
         The additive identity is always nilpotent::
             False
 
         The additive identity is always nilpotent::
@@ -589,11 +621,11 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
         TESTS:
 
         The zero element should never be regular, unless the parent
         TESTS:
 
         The zero element should never be regular, unless the parent
-        algebra has dimension one::
+        algebra has dimension less than or equal to one::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: J.dimension() == 1 or not J.zero().is_regular()
+            sage: J.dimension() <= 1 or not J.zero().is_regular()
             True
 
         The unit element isn't regular unless the algebra happens to
             True
 
         The unit element isn't regular unless the algebra happens to
@@ -601,7 +633,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: J.dimension() == 1 or not J.one().is_regular()
+            sage: J.dimension() <= 1 or not J.one().is_regular()
             True
 
         """
             True
 
         """
@@ -645,14 +677,17 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
         TESTS:
 
 
         TESTS:
 
-        The zero and unit elements are both of degree one::
+        The zero and unit elements are both of degree one in nontrivial
+        algebras::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: J.zero().degree()
-            1
-            sage: J.one().degree()
-            1
+            sage: d = J.zero().degree()
+            sage: (J.is_trivial() and d == 0) or d == 1
+            True
+            sage: d = J.one().degree()
+            sage: (J.is_trivial() and d == 0) or d == 1
+            True
 
         Our implementation agrees with the definition::
 
 
         Our implementation agrees with the definition::
 
@@ -754,7 +789,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: n_max = RealSymmetricEJA._max_test_case_size()
             sage: n = ZZ.random_element(1, n_max)
             sage: J1 = RealSymmetricEJA(n,QQ)
             sage: n_max = RealSymmetricEJA._max_test_case_size()
             sage: n = ZZ.random_element(1, n_max)
             sage: J1 = RealSymmetricEJA(n,QQ)
-            sage: J2 = RealSymmetricEJA(n,QQ,False)
+            sage: J2 = RealSymmetricEJA(n,QQ,normalize_basis=False)
             sage: X = random_matrix(QQ,n)
             sage: X = X*X.transpose()
             sage: x1 = J1(X)
             sage: X = random_matrix(QQ,n)
             sage: X = X*X.transpose()
             sage: x1 = J1(X)
@@ -830,7 +865,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
         """
         B = self.parent().natural_basis()
         W = self.parent().natural_basis_space()
         """
         B = self.parent().natural_basis()
         W = self.parent().natural_basis_space()
-        return W.linear_combination(zip(B,self.to_vector()))
+        return W.linear_combination(izip(B,self.to_vector()))
 
 
     def norm(self):
 
 
     def norm(self):
@@ -968,10 +1003,10 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: not x.is_invertible() or (
             ....:   x.quadratic_representation(x.inverse())*Qx
             ....:   ==
             sage: not x.is_invertible() or (
             ....:   x.quadratic_representation(x.inverse())*Qx
             ....:   ==
-            ....:   2*x.operator()*Qex - Qx )
+            ....:   2*Lx*Qex - Qx )
             True
 
             True
 
-            sage: 2*x.operator()*Qex - Qx == Lxx
+            sage: 2*Lx*Qex - Qx == Lxx
             True
 
         Property 5:
             True
 
         Property 5:
@@ -1008,12 +1043,82 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
 
 
 
 
 
+    def spectral_decomposition(self):
+        """
+        Return the unique spectral decomposition of this element.
 
 
-    def subalgebra_generated_by(self):
+        ALGORITHM:
+
+        Following Faraut and Korányi's Theorem III.1.1, we restrict this
+        element's left-multiplication-by operator to the subalgebra it
+        generates. We then compute the spectral decomposition of that
+        operator, and the spectral projectors we get back must be the
+        left-multiplication-by operators for the idempotents we
+        seek. Thus applying them to the identity element gives us those
+        idempotents.
+
+        Since the eigenvalues are required to be distinct, we take
+        the spectral decomposition of the zero element to be zero
+        times the identity element of the algebra (which is idempotent,
+        obviously).
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import RealSymmetricEJA
+
+        EXAMPLES:
+
+        The spectral decomposition of the identity is ``1`` times itself,
+        and the spectral decomposition of zero is ``0`` times the identity::
+
+            sage: J = RealSymmetricEJA(3,AA)
+            sage: J.one()
+            e0 + e2 + e5
+            sage: J.one().spectral_decomposition()
+            [(1, e0 + e2 + e5)]
+            sage: J.zero().spectral_decomposition()
+            [(0, e0 + e2 + e5)]
+
+        TESTS::
+
+            sage: J = RealSymmetricEJA(4,AA)
+            sage: x = sum(J.gens())
+            sage: sd = x.spectral_decomposition()
+            sage: l0 = sd[0][0]
+            sage: l1 = sd[1][0]
+            sage: c0 = sd[0][1]
+            sage: c1 = sd[1][1]
+            sage: c0.inner_product(c1) == 0
+            True
+            sage: c0.is_idempotent()
+            True
+            sage: c1.is_idempotent()
+            True
+            sage: c0 + c1 == J.one()
+            True
+            sage: l0*c0 + l1*c1 == x
+            True
+
+        """
+        P = self.parent()
+        A = self.subalgebra_generated_by(orthonormalize_basis=True)
+        result = []
+        for (evalue, proj) in A(self).operator().spectral_decomposition():
+            result.append( (evalue, proj(A.one()).superalgebra_element()) )
+        return result
+
+    def subalgebra_generated_by(self, orthonormalize_basis=False):
         """
         Return the associative subalgebra of the parent EJA generated
         by this element.
 
         """
         Return the associative subalgebra of the parent EJA generated
         by this element.
 
+        Since our parent algebra is unital, we want "subalgebra" to mean
+        "unital subalgebra" as well; thus the subalgebra that an element
+        generates will itself be a Euclidean Jordan algebra after
+        restricting the algebra operations appropriately. This is the
+        subalgebra that Faraut and Korányi work with in section II.2, for
+        example.
+
         SETUP::
 
             sage: from mjo.eja.eja_algebra import random_eja
         SETUP::
 
             sage: from mjo.eja.eja_algebra import random_eja
@@ -1038,17 +1143,18 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             sage: A(x^2) == A(x)*A(x)
             True
 
             sage: A(x^2) == A(x)*A(x)
             True
 
-        The subalgebra generated by the zero element is trivial::
+        By definition, the subalgebra generated by the zero element is
+        the one-dimensional algebra generated by the identity
+        element... unless the original algebra was trivial, in which
+        case the subalgebra is trivial too::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: A = random_eja().zero().subalgebra_generated_by()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: A = random_eja().zero().subalgebra_generated_by()
-            sage: A
-            Euclidean Jordan algebra of dimension 0 over...
-            sage: A.one()
-            0
+            sage: (A.is_trivial() and A.dimension() == 0) or A.dimension() == 1
+            True
 
         """
 
         """
-        return FiniteDimensionalEuclideanJordanElementSubalgebra(self)
+        return FiniteDimensionalEuclideanJordanElementSubalgebra(self, orthonormalize_basis)
 
 
     def subalgebra_idempotent(self):
 
 
     def subalgebra_idempotent(self):
@@ -1136,12 +1242,18 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: J.random_element().trace() in J.base_ring()
+            sage: J.random_element().trace() in RLF
             True
 
         """
         P = self.parent()
         r = P.rank()
             True
 
         """
         P = self.parent()
         r = P.rank()
+
+        if r == 0:
+            # Special case for the trivial algebra where
+            # the trace is an empty sum.
+            return P.base_ring().zero()
+
         p = P._charpoly_coeff(r-1)
         # The _charpoly_coeff function already adds the factor of
         # -1 to ensure that _charpoly_coeff(r-1) is really what
         p = P._charpoly_coeff(r-1)
         # The _charpoly_coeff function already adds the factor of
         # -1 to ensure that _charpoly_coeff(r-1) is really what
@@ -1160,8 +1272,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
 
         TESTS:
 
 
         TESTS:
 
-        The trace inner product is commutative, bilinear, and satisfies
-        the Jordan axiom:
+        The trace inner product is commutative, bilinear, and associative::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
@@ -1181,7 +1292,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement(IndexedFreeModuleElement):
             ....:              a*x.trace_inner_product(z) )
             sage: actual == expected
             True
             ....:              a*x.trace_inner_product(z) )
             sage: actual == expected
             True
-            sage: # jordan axiom
+            sage: # associative
             sage: (x*y).trace_inner_product(z) == y.trace_inner_product(x*z)
             True
 
             sage: (x*y).trace_inner_product(z) == y.trace_inner_product(x*z)
             True