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More minor tweaks to motzkin_decomposition().
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
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@@ -40,14 +40,14 @@ def is_lyapunov_like(L,K):
     The identity is always Lyapunov-like in a nontrivial space::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim = 1, max_ambient_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(min_ambient_dim=1, max_ambient_dim=8)
         sage: L = identity_matrix(K.lattice_dim())
         sage: is_lyapunov_like(L,K)
         True
 
     As is the "zero" transformation::
 
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim = 1, max_ambient_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(min_ambient_dim=1, max_ambient_dim=8)
         sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
         sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
         sage: is_lyapunov_like(L,K)
@@ -56,7 +56,7 @@ def is_lyapunov_like(L,K):
         Everything in ``K.lyapunov_like_basis()`` should be Lyapunov-like
         on ``K``::
 
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim = 1, max_ambient_dim = 6)
+        sage: K = random_cone(min_ambient_dim=1, max_ambient_dim=6)
         sage: all([ is_lyapunov_like(L,K) for L in K.lyapunov_like_basis() ])
         True
 
@@ -65,61 +65,104 @@ def is_lyapunov_like(L,K):
                 for (x,s) in K.discrete_complementarity_set()])
 
 
-def random_element(K):
+def motzkin_decomposition(K):
     r"""
-    Return a random element of ``K`` from its ambient vector space.
+    Return the pair of components in the Motzkin decomposition of this cone.
 
-    ALGORITHM:
+    Every convex cone is the direct sum of a strictly convex cone and a
+    linear subspace [Stoer-Witzgall]_. Return a pair ``(P,S)`` of cones
+    such that ``P`` is strictly convex, ``S`` is a subspace, and ``K``
+    is the direct sum of ``P`` and ``S``.
 
-    The cone ``K`` is specified in terms of its generators, so that
-    ``K`` is equal to the convex conic combination of those generators.
-    To choose a random element of ``K``, we assign random nonnegative
-    coefficients to each generator of ``K`` and construct a new vector
-    from the scaled rays.
+    OUTPUT:
+
+    An ordered pair ``(P,S)`` of closed convex polyhedral cones where
+    ``P`` is strictly convex, ``S`` is a subspace, and ``K`` is the
+    direct sum of ``P`` and ``S``.
 
-    A vector, rather than a ray, is returned so that the element may
-    have non-integer coordinates. Thus the element may have an
-    arbitrarily small norm.
+    REFERENCES:
+
+    .. [Stoer-Witzgall] J. Stoer and C. Witzgall. Convexity and
+       Optimization in Finite Dimensions I. Springer-Verlag, New
+       York, 1970.
 
     EXAMPLES:
 
-    A random element of the trivial cone is zero::
+    The nonnegative orthant is strictly convex, so it is its own
+    strictly convex component and its subspace component is trivial::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: random_element(K)
-        ()
-        sage: K = Cone([(0,)])
-        sage: random_element(K)
-        (0)
-        sage: K = Cone([(0,0)])
-        sage: random_element(K)
-        (0, 0)
-        sage: K = Cone([(0,0,0)])
-        sage: random_element(K)
-        (0, 0, 0)
+        sage: K = Cone([(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)])
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: K.is_equivalent(P)
+        True
+        sage: S.is_trivial()
+        True
+
+    Likewise, full spaces are their own subspace components::
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: K.is_full_space()
+        True
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: K.is_equivalent(S)
+        True
+        sage: P.is_trivial()
+        True
 
     TESTS:
 
-    Any cone should contain an element of itself::
+    A random point in the cone should belong to either the strictly
+    convex component or the subspace component. If the point is nonzero,
+    it cannot be in both::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: x = K.random_element()
+        sage: P.contains(x) or S.contains(x)
+        True
+        sage: x.is_zero() or (P.contains(x) != S.contains(x))
+        True
+
+    The strictly convex component should always be strictly convex, and
+    the subspace component should always be a subspace::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_rays = 8)
-        sage: K.contains(random_element(K))
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: P.is_strictly_convex()
+        True
+        sage: S.lineality() == S.dim()
         True
 
+    The generators of the components are obtained from orthogonal
+    projections of the original generators [Stoer-Witzgall]_::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: A = S.linear_subspace().complement().matrix()
+        sage: proj_S_perp = A.transpose() * (A*A.transpose()).inverse() * A
+        sage: expected_P = Cone([ proj_S_perp*g for g in K ], K.lattice())
+        sage: P.is_equivalent(expected_P)
+        True
+        sage: A = S.linear_subspace().matrix()
+        sage: proj_S = A.transpose() * (A*A.transpose()).inverse() * A
+        sage: expected_S = Cone([ proj_S*g for g in K ], K.lattice())
+        sage: S.is_equivalent(expected_S)
+        True
     """
-    V = K.lattice().vector_space()
-    F = V.base_ring()
-    coefficients = [ F.random_element().abs() for i in range(K.nrays()) ]
-    vector_gens  = map(V, K.rays())
-    scaled_gens  = [ coefficients[i]*vector_gens[i]
-                         for i in range(len(vector_gens)) ]
+    # The lines() method only returns one generator per line. For a true
+    # line, we also need a generator pointing in the opposite direction.
+    S_gens = [ direction*gen for direction in [1,-1] for gen in K.lines() ]
+    S = Cone(S_gens, K.lattice())
+
+    # Since ``S`` is a subspace, the rays of its dual generate its
+    # orthogonal complement.
+    S_perp = Cone(S.dual(), K.lattice())
+    P = K.intersection(S_perp)
 
-    # Make sure we return a vector. Without the coercion, we might
-    # return ``0`` when ``K`` has no rays.
-    v = V(sum(scaled_gens))
-    return v
+    return (P,S)
 
 
 def positive_operator_gens(K):
@@ -186,7 +229,7 @@ def positive_operator_gens(K):
     corollary in my paper::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 5)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
         sage: n = K.lattice_dim()
         sage: m = K.dim()
         sage: l = K.lineality()
@@ -296,7 +339,7 @@ def Z_transformation_gens(K):
     The Z-property is possessed by every Z-transformation::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 6)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=6)
         sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
         sage: dcs = K.discrete_complementarity_set()
         sage: all([(z*x).inner_product(s) <= 0 for z in Z_of_K
@@ -306,7 +349,7 @@ def Z_transformation_gens(K):
     The lineality space of Z is LL::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim = 1, max_ambient_dim = 6)
+        sage: K = random_cone(min_ambient_dim=1, max_ambient_dim=6)
         sage: lls = span([ vector(l.list()) for l in K.lyapunov_like_basis() ])
         sage: z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_transformation_gens(K) ])
         sage: z_cone.linear_subspace() == lls
@@ -315,10 +358,24 @@ def Z_transformation_gens(K):
     And thus, the lineality of Z is the Lyapunov rank::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim = 1, max_ambient_dim = 6)
-        sage: z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_transformation_gens(K) ])
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=6)
+        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_of_K ], lattice=L)
         sage: z_cone.lineality() == K.lyapunov_rank()
         True
+
+    The lineality spaces of pi-star and Z-star are equal:
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: pi_star = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L).dual()
+        sage: z_star  = Cone([ z.list() for z in Z_of_K], lattice=L).dual()
+        sage: pi_star.linear_subspace() == z_star.linear_subspace()
+        True
     """
     # Matrices are not vectors in Sage, so we have to convert them
     # to vectors explicitly before we can find a basis. We need these