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Add more examples for the positive operators.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index eb5316330f6afefdc3b452482bfbd6d59deabbd2..43ec8f7f18f031bea3e159f2f434b72b4d05909b 100644 (file)
@@ -118,7 +118,7 @@ def motzkin_decomposition(K):
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
         sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
-        sage: x = K.random_element()
+        sage: x = K.random_element(ring=QQ)
         sage: P.contains(x) or S.contains(x)
         True
         sage: x.is_zero() or (P.contains(x) != S.contains(x))
@@ -152,13 +152,15 @@ def motzkin_decomposition(K):
         sage: S.is_equivalent(expected_S)
         True
     """
-    # The lines() method only gives us one generator for each line,
-    # so we negate the result and combine everything for the full set.
-    S = Cone([p*l for p in [1,-1] for l in K.lines()], K.lattice())
+    # 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.
-    P = K.intersection( Cone(S.dual(), K.lattice()) )
+    S_perp = Cone(S.dual(), K.lattice())
+    P = K.intersection(S_perp)
 
     return (P,S)
 
@@ -177,12 +179,6 @@ def positive_operator_gens(K):
 
     EXAMPLES:
 
-    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
-
-        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: positive_operator_gens(K)
-        []
-
     Positive operators on the nonnegative orthant are nonnegative matrices::
 
         sage: K = Cone([(1,)])
@@ -196,6 +192,27 @@ def positive_operator_gens(K):
         [0 0], [0 0], [1 0], [0 1]
         ]
 
+    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
+
+        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        []
+
+    Every operator is positive on the trivial cone::
+
+        sage: K = Cone([(0,)])
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [[1], [-1]]
+
+        sage: K = Cone([(0,0)])
+        sage: K.is_trivial()
+        True
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [
+        [1 0]  [-1  0]  [0 1]  [ 0 -1]  [0 0]  [ 0  0]  [0 0]  [ 0  0]
+        [0 0], [ 0  0], [0 0], [ 0  0], [1 0], [-1  0], [0 1], [ 0 -1]
+        ]
+
     Every operator is positive on the ambient vector space::
 
         sage: K = Cone([(1,),(-1,)])
@@ -213,14 +230,93 @@ def positive_operator_gens(K):
         [0 0], [ 0  0], [0 0], [ 0  0], [1 0], [-1  0], [0 1], [ 0 -1]
         ]
 
+    A non-obvious application is to find the positive operators on the
+    right half-plane::
+
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [
+        [1 0]  [0 0]  [ 0  0]  [0 0]  [ 0  0]
+        [0 0], [1 0], [-1  0], [0 1], [ 0 -1]
+        ]
+
     TESTS:
 
-    A positive operator on a cone should send its generators into the cone::
+    Each positive operator generator should send the generators of the
+    cone into the cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: all([ K.contains(P*x) for P in pi_of_K for x in K ])
+        True
+
+    Each positive operator generator should send a random element of the
+    cone into the cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: all([ K.contains(P*K.random_element(QQ)) for P in pi_of_K ])
+        True
+
+    A random element of the positive operator cone should send the
+    generators of the cone into the cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_of_K ], lattice=L)
+        sage: P = matrix(K.lattice_dim(), pi_cone.random_element(QQ).list())
+        sage: all([ K.contains(P*x) for x in K ])
+        True
+
+    A random element of the positive operator cone should send a random
+    element of the cone into the cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_of_K ], lattice=L)
+        sage: P = matrix(K.lattice_dim(), pi_cone.random_element(QQ).list())
+        sage: K.contains(P*K.random_element(ring=QQ))
+        True
+
+    The lineality space of the dual of the cone of positive operators
+    can be computed from the lineality spaces of the cone and its dual::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_of_K ], lattice=L)
+        sage: actual = pi_cone.dual().linear_subspace()
+        sage: U1 = [ vector((s.tensor_product(x)).list())
+        ....:        for x in K.lines()
+        ....:        for s in K.dual() ]
+        sage: U2 = [ vector((s.tensor_product(x)).list())
+        ....:        for x in K
+        ....:        for s in K.dual().lines() ]
+        sage: expected = pi_cone.lattice().vector_space().span(U1 + U2)
+        sage: actual == expected
+        True
+
+    The lineality of the dual of the cone of positive operators
+    is known from its lineality space::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: m = K.dim()
+        sage: l = K.lineality()
         sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
-        sage: all([K.contains(p*x) for p in pi_of_K for x in K.rays()])
+        sage: L = ToricLattice(n**2)
+        sage: pi_cone = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L)
+        sage: actual = pi_cone.dual().lineality()
+        sage: expected = l*(m - l) + m*(n - m)
+        sage: actual == expected
         True
 
     The dimension of the cone of positive operators is given by the
@@ -238,6 +334,43 @@ def positive_operator_gens(K):
         sage: actual == expected
         True
 
+    The trivial cone, full space, and half-plane all give rise to the
+    expected dimensions::
+
+        sage: n = ZZ.random_element().abs()
+        sage: K = Cone([[0] * n], ToricLattice(n))
+        sage: K.is_trivial()
+        True
+        sage: L = ToricLattice(n^2)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: actual = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L).dim()
+        sage: actual == n^2
+        True
+        sage: K = K.dual()
+        sage: K.is_full_space()
+        True
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: actual = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L).dim()
+        sage: actual == n^2
+        True
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: actual = Cone([p.list() for p in pi_of_K]).dim()
+        sage: actual == 3
+        True
+
+    The cone of positive operators is solid when the original cone is proper::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+        sage: pi_cone = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L)
+        sage: pi_cone.is_solid()
+        True
+
     The lineality of the cone of positive operators is given by the
     corollary in my paper::
 
@@ -275,7 +408,8 @@ def positive_operator_gens(K):
     vectors = [ W(tp.list()) for tp in tensor_products ]
 
     # Create the *dual* cone of the positive operators, expressed as
-    # long vectors..
+    # long vectors. WARNING: takes forever unless we pass check=False
+    # to Cone().
     pi_dual = Cone(vectors, ToricLattice(W.dimension()))
 
     # Now compute the desired cone from its dual...
@@ -391,7 +525,8 @@ def Z_transformation_gens(K):
     vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
 
     # Create the *dual* cone of the cross-positive operators,
-    # expressed as long vectors..
+    # expressed as long vectors. WARNING: takes forever unless we pass
+    # check=False to Cone().
     Sigma_dual = Cone(vectors, lattice=ToricLattice(W.dimension()))
 
     # Now compute the desired cone from its dual...