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Try the span_iso approach to fix my isomorphism tests.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index a5482b3aa95f7198938007c4be615c4e7a97e17d..3f5a4fed4e1c49853f00eafcf6084744223ca296 100644 (file)
@@ -7,6 +7,92 @@ 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 span_iso(K):
+    r"""
+    Return an isomorphism (and its inverse) that will send ``K`` into a
+    lower-dimensional space isomorphic to its span (and back).
+
+    EXAMPLES:
+
+    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::
+
+        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
+
+    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())
+
+    # 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"""
@@ -87,15 +173,77 @@ def LL(K):
 
     OUTPUT:
 
-    A ``MatrixSpace`` object `M` such that every matrix `L \in M` is
-    Lyapunov-like on this cone.
+    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::
+
+        sage: K = Cone([(1,)])
+        sage: LL(K)
+        [[1]]
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        sage: LL(K)
+        [
+        [1 0]  [0 0]
+        [0 0], [0 1]
+        ]
+
+        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]
+        ]
+
+    Only the identity matrix is Lyapunov-like on the `L^{3}_{1}` and
+    `L^{3}_{\infty}` cones [Rudolf et al.]_::
+
+        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)
 
-    matrices = [x.tensor_product(s) for (x,s) in C_of_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
@@ -108,7 +256,7 @@ def LL(K):
     W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
 
     # Turn our matrices into long vectors...
-    vectors = [ W(m.list()) for m in matrices ]
+    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).
@@ -118,9 +266,9 @@ def LL(K):
     # transformations.
     M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
 
-    matrices = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
+    matrix_basis = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
 
-    return matrices
+    return matrix_basis
 
 
 
@@ -171,6 +319,9 @@ def lyapunov_rank(K):
        cone and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
        (2014) 155-170.
 
+    .. [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.
@@ -247,40 +398,43 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     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, this holds for the trivial cone in a
-    trivial space as well)::
+    [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::
 
         sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
         sage: b = lyapunov_rank(K)
         sage: n = K.lattice_dim()
-        sage: 1 <= b and b <= n
+        sage: (n == 0 or 1 <= b) and b <= n
         True
         sage: b == n-1
         False
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
+    In fact [Orlitzky/Gowda]_, no closed convex polyhedral cone can have
+    Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
 
-    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
-
-    matrices = [x.tensor_product(s) 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)
+        sage: K = random_cone(max_dim=10)
+        sage: b = lyapunov_rank(K)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: b == n-1
+        False
 
-    def phi(m):
-        r"""
-        Convert a matrix to a vector isomorphically.
-        """
-        return W(m.list())
+    The calculation of the Lyapunov rank of an improper cone can be
+    reduced to that of a proper cone [Orlitzky/Gowda]_::
 
-    vectors = [phi(m) for m in matrices]
+        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))