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Try the span_iso approach to fix my isomorphism tests.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 2296e3fc010db71091e530b211c73ada05962f81..3f5a4fed4e1c49853f00eafcf6084744223ca296 100644 (file)
@@ -7,83 +7,269 @@ addsitedir(abspath('../../'))
 
 from sage.all import *
 
+def rename_lattice(L,s):
+    r"""
+    Change all names of the given lattice to ``s``.
+    """
+    L._name = s
+    L._dual_name = s
+    L._latex_name = s
+    L._latex_dual_name = s
 
-def random_cone(min_dim=None, max_dim=None, min_rays=None, max_rays=None):
+def span_iso(K):
     r"""
-    Generate a random rational convex polyhedral cone.
+    Return an isomorphism (and its inverse) that will send ``K`` into a
+    lower-dimensional space isomorphic to its span (and back).
 
-    Lower and upper bounds may be provided for both the dimension of the
-    ambient space and the number of generating rays of the cone. Any
-    parameters left unspecified will be chosen randomly.
+    EXAMPLES:
 
-    INPUT:
+    The inverse composed with the isomorphism should be the identity::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=10)
+        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
+        sage: phi_inv(phi(K)) == K
+        True
+
+    The image of ``K`` under the isomorphism should have full dimension::
 
-    - ``min_dim`` (default: random) -- The minimum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+        sage: K = random_cone(max_dim=10)
+        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
+        sage: phi(K).dim() == phi(K).lattice_dim()
+        True
+
+    The isomorphism should be an inner product space isomorphism, and
+    thus it should preserve dual cones (and commute with the "dual"
+    operation). But beware the automatic renaming of the dual lattice.
+    OH AND YOU HAVE TO SORT THE CONES::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=False, solid=True)
+        sage: L = K.lattice()
+        sage: rename_lattice(L, 'L')
+        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
+        sage: sorted(phi_inv( phi(K).dual() )) == sorted(K.dual())
+        True
 
-    - ``max_dim`` (default: random) -- The maximum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+    We may need to isomorph twice to make sure we stop moving down to
+    smaller spaces. (Once you've done this on a cone and its dual, the
+    result should be proper.) OH AND YOU HAVE TO SORT THE CONES::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=False, solid=False)
+        sage: L = K.lattice()
+        sage: rename_lattice(L, 'L')
+        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
+        sage: K_S = phi(K)
+        sage: (phi_dual, phi_dual_inv) = span_iso(K_S.dual())
+        sage: J_T = phi_dual(K_S.dual()).dual()
+        sage: phi_inv(phi_dual_inv(J_T)) == K
+        True
+
+    """
+    phi_domain = K.sublattice().vector_space()
+    phi_codo = VectorSpace(phi_domain.base_field(), phi_domain.dimension())
 
-    - ``min_rays`` (default: random) -- The minimum number of generating rays
-                                        of the cone.
+    # S goes from the new space to the cone space.
+    S = linear_transformation(phi_codo, phi_domain, phi_domain.basis())
+
+    # phi goes from the cone space to the new space.
+    def phi(J_orig):
+        r"""
+        Takes a cone ``J`` and sends it into the new space.
+        """
+        newrays = map(S.inverse(), J_orig.rays())
+        L = None
+        if len(newrays) == 0:
+            L = ToricLattice(0)
+
+        return Cone(newrays, lattice=L)
+
+    def phi_inverse(J_sub):
+        r"""
+        The inverse to phi which goes from the new space to the cone space.
+        """
+        newrays = map(S, J_sub.rays())
+        return Cone(newrays, lattice=K.lattice())
+
+
+    return (phi, phi_inverse)
+
+
+
+def discrete_complementarity_set(K):
+    r"""
+    Compute the discrete complementarity set of this cone.
 
-    - ``max_rays`` (default: random) -- The maximum number of generating rays
-                                        of the cone.
+    The complementarity set of this cone is the set of all orthogonal
+    pairs `(x,s)` such that `x` is in this cone, and `s` is in its
+    dual. The discrete complementarity set restricts `x` and `s` to be
+    generators of their respective cones.
 
     OUTPUT:
 
-    A new, randomly generated cone.
+    A list of pairs `(x,s)` such that,
+
+      * `x` is in this cone.
+      * `x` is a generator of this cone.
+      * `s` is in this cone's dual.
+      * `s` is a generator of this cone's dual.
+      * `x` and `s` are orthogonal.
+
+    EXAMPLES:
+
+    The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
+    of pairs of standard basis vectors::
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0), (0, 1)), ((0, 1), (1, 0))]
+
+    If the cone consists of a single ray, the second components of the
+    discrete complementarity set should generate the orthogonal
+    complement of that ray::
+
+        sage: K = Cone([(1,0)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0), (0, 1)), ((1, 0), (0, -1))]
+        sage: K = Cone([(1,0,0)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        [((1, 0, 0), (0, 1, 0)),
+          ((1, 0, 0), (0, -1, 0)),
+          ((1, 0, 0), (0, 0, 1)),
+          ((1, 0, 0), (0, 0, -1))]
+
+    When the cone is the entire space, its dual is the trivial cone, so
+    the discrete complementarity set is empty::
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        []
 
     TESTS:
 
-    It's hard to test the output of a random process, but we can at
-    least make sure that we get a cone back::
+    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
+    components of the complementarity set of the original cone::
 
-        sage: from sage.geometry.cone import is_Cone
-        sage: K = random_cone()
-        sage: is_Cone(K) # long time
+        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: K2 = K1.dual()
+        sage: expected = [(x,s) for (s,x) in discrete_complementarity_set(K2)]
+        sage: actual = discrete_complementarity_set(K1)
+        sage: actual == expected
         True
 
     """
+    V = K.lattice().vector_space()
 
-    def random_min_max(l,u):
-        r"""
-        We need to handle four cases to prevent us from doing
-        something stupid like having an upper bound that's lower than
-        our lower bound. And we would need to repeat all of that logic
-        for the dimension/rays, so we consolidate it here.
-        """
-        if l is None and u is None:
-            # They're both random, just return a random nonnegative
-            # integer.
-            return ZZ.random_element().abs()
+    # Convert the rays to vectors so that we can compute inner
+    # products.
+    xs = [V(x) for x in K.rays()]
+    ss = [V(s) for s in K.dual().rays()]
+
+    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
+
+
+def LL(K):
+    r"""
+    Compute the space `\mathbf{LL}` of all Lyapunov-like transformations
+    on this cone.
+
+    OUTPUT:
+
+    A list of matrices forming a basis for the space of all
+    Lyapunov-like transformations on the given cone.
+
+    EXAMPLES:
+
+    The trivial cone has no Lyapunov-like transformations::
+
+        sage: L = ToricLattice(0)
+        sage: K = Cone([], lattice=L)
+        sage: LL(K)
+        []
+
+    The Lyapunov-like transformations on the nonnegative orthant are
+    simply diagonal matrices::
 
-        if l is not None and u is not None:
-            # Both were specified. Again, just make up a number and
-            # return it. If the user wants to give us u < l then he
-            # can have an exception.
-            return ZZ.random_element(l,u)
+        sage: K = Cone([(1,)])
+        sage: LL(K)
+        [[1]]
 
-        if l is not None and u is None:
-            # In this case, we're generating the upper bound randomly
-            # GIVEN A LOWER BOUND. So we add a random nonnegative
-            # integer to the given lower bound.
-            u = l + ZZ.random_element().abs()
-            return ZZ.random_element(l,u)
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        sage: LL(K)
+        [
+        [1 0]  [0 0]
+        [0 0], [0 1]
+        ]
 
-        # Here we must be in the only remaining case, where we are
-        # given an upper bound but no lower bound. We might as well
-        # use zero.
-        return ZZ.random_element(0,u)
+        sage: K = Cone([(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)])
+        sage: LL(K)
+        [
+        [1 0 0]  [0 0 0]  [0 0 0]
+        [0 0 0]  [0 1 0]  [0 0 0]
+        [0 0 0], [0 0 0], [0 0 1]
+        ]
 
-    d = random_min_max(min_dim, max_dim)
-    r = random_min_max(min_rays, max_rays)
+    Only the identity matrix is Lyapunov-like on the `L^{3}_{1}` and
+    `L^{3}_{\infty}` cones [Rudolf et al.]_::
 
-    L = ToricLattice(d)
-    rays = [L.random_element() for i in range(0,r)]
+        sage: L31 = Cone([(1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1), (0,1,1)])
+        sage: LL(L31)
+        [
+        [1 0 0]
+        [0 1 0]
+        [0 0 1]
+        ]
+
+        sage: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
+        sage: LL(L3infty)
+        [
+        [1 0 0]
+        [0 1 0]
+        [0 0 1]
+        ]
+
+    TESTS:
+
+    The inner product `\left< L\left(x\right), s \right>` is zero for
+    every pair `\left( x,s \right)` in the discrete complementarity set
+    of the cone::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=8, max_rays=10)
+        sage: C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
+        sage: l = [ (L*x).inner_product(s) for (x,s) in C_of_K for L in LL(K) ]
+        sage: sum(map(abs, l))
+        0
+
+    """
+    V = K.lattice().vector_space()
+
+    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
+
+    tensor_products = [s.tensor_product(x) for (x,s) in C_of_K]
+
+    # Sage doesn't think matrices are vectors, so we have to convert
+    # our matrices to vectors explicitly before we can figure out how
+    # many are linearly-indepenedent.
+    #
+    # The space W has the same base ring as V, but dimension
+    # dim(V)^2. So it has the same dimension as the space of linear
+    # transformations on V. In other words, it's just the right size
+    # to create an isomorphism between it and our matrices.
+    W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
+
+    # Turn our matrices into long vectors...
+    vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
+
+    # Vector space representation of Lyapunov-like matrices
+    # (i.e. vec(L) where L is Luapunov-like).
+    LL_vector = W.span(vectors).complement()
+
+    # Now construct an ambient MatrixSpace in which to stick our
+    # transformations.
+    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
+
+    matrix_basis = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
+
+    return matrix_basis
 
-    # We pass the lattice in case there are no rays.
-    return Cone(rays, lattice=L)
 
 
 def lyapunov_rank(K):
@@ -129,17 +315,21 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     REFERENCES:
 
-    1. M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper cone
-       and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
+    .. [Gowda/Tao] M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper
+       cone and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
        (2014) 155-170.
 
-    2. G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
+    .. [Orlitzky/Gowda] M. Orlitzky and M. S. Gowda. The Lyapunov Rank of an
+       Improper Cone. Work in-progress.
+
+    .. [Rudolf et al.] G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
        optimality constraints for the cone of positive polynomials,
        Mathematical Programming, Series B, 129 (2011) 5-31.
 
     EXAMPLES:
 
-    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`::
+    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: positives = Cone([(1,)])
         sage: lyapunov_rank(positives)
@@ -147,23 +337,25 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: quadrant = Cone([(1,0), (0,1)])
         sage: lyapunov_rank(quadrant)
         2
-        sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
+       sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
         sage: lyapunov_rank(octant)
         3
 
-    The `L^{3}_{1}` cone is known to have a Lyapunov rank of one::
+    The `L^{3}_{1}` cone is known to have a Lyapunov rank of one
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L31 = Cone([(1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1), (0,1,1)])
         sage: lyapunov_rank(L31)
         1
 
-    Likewise for the `L^{3}_{\infty}` cone::
+    Likewise for the `L^{3}_{\infty}` cone [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
         sage: lyapunov_rank(L3infty)
         1
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: L31 = Cone([(1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1), (0,1,1)])
         sage: octant = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
@@ -171,8 +363,8 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(L31) + lyapunov_rank(octant)
         True
 
-    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank. The cone
-    ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
+    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank [Rudolf et al.]_.
+    The cone ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
     octant in `\mathbb{R}^{3}`::
 
         sage: K = Cone([(1,2,3), (-1,1,0), (1,0,6)])
@@ -180,7 +372,7 @@ def lyapunov_rank(K):
         3
 
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
         sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
@@ -188,49 +380,61 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     TESTS:
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones
+    [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K1 = random_cone(0,10,0,10)
-        sage: K2 = random_cone(0,10,0,10)
+        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: K2 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
         sage: K = K1.cartesian_product(K2)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
         True
 
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K = random_cone(0,10,0,10)
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
         True
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    xs = [V(x) for x in K.rays()]
-    ss = [V(s) for s in K.dual().rays()]
-
-    # WARNING: This isn't really C(K), it only contains the pairs
-    # (x,s) in C(K) where x,s are extreme in their respective cones.
-    C_of_K = [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
-
-    matrices = [x.column() * s.row() for (x,s) in C_of_K]
-
-    # Sage doesn't think matrices are vectors, so we have to convert
-    # our matrices to vectors explicitly before we can figure out how
-    # many are linearly-indepenedent.
-    #
-    # The space W has the same base ring as V, but dimension
-    # dim(V)^2. So it has the same dimension as the space of linear
-    # transformations on V. In other words, it's just the right size
-    # to create an isomorphism between it and our matrices.
-    W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
-
-    def phi(m):
-        r"""
-        Convert a matrix to a vector isomorphically.
-        """
-        return W(m.list())
+    The Lyapunov rank of a proper polyhedral cone in `n` dimensions can
+    be any number between `1` and `n` inclusive, excluding `n-1`
+    [Gowda/Tao]_. By accident, the `n-1` restriction will hold for the
+    trivial cone in a trivial space as well. However, in zero dimensions,
+    the Lyapunov rank of the trivial cone will be zero::
 
-    vectors = [phi(m) for m in matrices]
+        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: b = lyapunov_rank(K)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: (n == 0 or 1 <= b) and b <= n
+        True
+        sage: b == n-1
+        False
+
+    In fact [Orlitzky/Gowda]_, no closed convex polyhedral cone can have
+    Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=10)
+        sage: b = lyapunov_rank(K)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: b == n-1
+        False
+
+    The calculation of the Lyapunov rank of an improper cone can be
+    reduced to that of a proper cone [Orlitzky/Gowda]_::
+
+        sage: K = random_cone(max_dim=15, solid=False, strictly_convex=False)
+        sage: actual = lyapunov_rank(K)
+        sage: (phi1, phi1_inv) = span_iso(K)
+        sage: K_S = phi1(K)
+        sage: (phi2, phi2_inv) = span_iso(K_S.dual())
+        sage: J_T = phi2(K_S.dual()).dual()
+        sage: phi1_inv(phi2_inv(J_T)) == K
+        True
+        sage: l = K.linear_subspace().dimension()
+        sage: codim = K.lattice_dim() - K.dim()
+        sage: expected = lyapunov_rank(J_T) + K.dim()*(l + codim) + codim**2
+        sage: actual == expected
+        True
 
-    return (W.dimension() - W.span(vectors).rank())
+    """
+    return len(LL(K))