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Remove random_element() for sage and start cleanup on motzkin_decomposition().
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 32e13861fdbb0cb2f806f5892cd9c90c1df051f4..a1ded5270032de21f2647de8453384fde4804c72 100644 (file)
@@ -1,10 +1,3 @@
-# Sage doesn't load ~/.sage/init.sage during testing (sage -t), so we
-# have to explicitly mangle our sitedir here so that "mjo.cone"
-# resolves.
-from os.path import abspath
-from site import addsitedir
-addsitedir(abspath('../../'))
-
 from sage.all import *
 
 def is_lyapunov_like(L,K):
@@ -47,14 +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_rays = 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_rays = 5)
+        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)
@@ -63,7 +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_rays = 5)
+        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
 
@@ -72,64 +65,97 @@ 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. 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:
 
-    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.
+    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``.
 
     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_rays = 8)
-        sage: K.contains(random_element(K))
+        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_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 strictly convex component are obtained from
+    the orthogonal projections of the original generators onto the
+    orthogonal complement of the subspace component::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: S_perp = S.linear_subspace().complement()
+        sage: A = S_perp.matrix().transpose()
+        sage: proj = A * (A.transpose()*A).inverse() * A.transpose()
+        sage: expected = Cone([ proj*g for g in K ], K.lattice())
+        sage: P.is_equivalent(expected)
+        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)) ]
+    linspace_gens  = [ copy(b) for b in K.linear_subspace().basis() ]
+    linspace_gens += [ -b for b in linspace_gens ]
 
-    # 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
+    S = Cone(linspace_gens, K.lattice())
 
+    # Since ``S`` is a subspace, its dual is its orthogonal complement
+    # (albeit in the wrong lattice).
+    S_perp = Cone(S.dual(), K.lattice())
+    P = K.intersection(S_perp)
 
-def positive_operators(K):
+    return (P,S)
+
+def positive_operator_gens(K):
     r"""
     Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
 
@@ -146,17 +172,17 @@ def positive_operators(K):
     The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
 
         sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: positive_operators(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         []
 
     Positive operators on the nonnegative orthant are nonnegative matrices::
 
         sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: positive_operators(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [[1]]
 
         sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: positive_operators(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [
         [1 0]  [0 1]  [0 0]  [0 0]
         [0 0], [0 0], [1 0], [0 1]
@@ -167,13 +193,13 @@ def positive_operators(K):
         sage: K = Cone([(1,),(-1,)])
         sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: positive_operators(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [[1], [-1]]
 
         sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
         sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: positive_operators(K)
+        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]
@@ -183,43 +209,76 @@ def positive_operators(K):
 
     A positive operator on a cone should send its generators into the cone::
 
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 6)
-        sage: pi_of_K = positive_operators(K)
+        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.rays()])
         True
 
+    The dimension of the cone of positive operators is given by the
+    corollary in my paper::
+
+        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: L = ToricLattice(n**2)
+        sage: actual = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L).dim()
+        sage: expected = n**2 - l*(m - l) - (n - m)*m
+        sage: actual == expected
+        True
+
+    The lineality of the cone of positive operators is given by the
+    corollary in my paper::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: n = K.lattice_dim()
+        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
+        sage: L = ToricLattice(n**2)
+        sage: actual = Cone([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L).lineality()
+        sage: expected = n**2 - K.dim()*K.dual().dim()
+        sage: actual == expected
+        True
+
+    The cone ``K`` is proper if and only if the cone of positive
+    operators on ``K`` is proper::
+
+        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([p.list() for p in pi_of_K], lattice=L)
+        sage: K.is_proper() == pi_cone.is_proper()
+        True
     """
-    # 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.
-    V = K.lattice().vector_space()
-    W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
+    # Matrices are not vectors in Sage, so we have to convert them
+    # to vectors explicitly before we can find a basis. We need these
+    # two values to construct the appropriate "long vector" space.
+    F = K.lattice().base_field()
+    n = K.lattice_dim()
 
     tensor_products = [ s.tensor_product(x) for x in K for s in K.dual() ]
 
-    # Turn our matrices into long vectors...
-    vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
+    # Convert those tensor products to long vectors.
+    W = VectorSpace(F, n**2)
+    vectors = [ W(tp.list()) for tp in tensor_products ]
 
     # Create the *dual* cone of the positive operators, expressed as
     # long vectors..
-    L = ToricLattice(W.dimension())
-    pi_dual = Cone(vectors, lattice=L)
+    pi_dual = Cone(vectors, ToricLattice(W.dimension()))
 
     # Now compute the desired cone from its dual...
     pi_cone = pi_dual.dual()
 
     # And finally convert its rays back to matrix representations.
-    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
-
+    M = MatrixSpace(F, n)
     return [ M(v.list()) for v in pi_cone.rays() ]
 
 
-def Z_transformations(K):
+def Z_transformation_gens(K):
     r"""
     Compute generators of the cone of Z-transformations on this cone.
 
@@ -237,13 +296,13 @@ def Z_transformations(K):
     That is, matrices whose off-diagonal elements are nonnegative::
 
         sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: Z_transformations(K)
+        sage: Z_transformation_gens(K)
         [
         [ 0 -1]  [ 0  0]  [-1  0]  [1 0]  [ 0  0]  [0 0]
         [ 0  0], [-1  0], [ 0  0], [0 0], [ 0 -1], [0 1]
         ]
         sage: K = Cone([(1,0,0,0),(0,1,0,0),(0,0,1,0),(0,0,0,1)])
-        sage: all([ z[i][j] <= 0 for z in Z_transformations(K)
+        sage: all([ z[i][j] <= 0 for z in Z_transformation_gens(K)
         ....:                    for i in range(z.nrows())
         ....:                    for j in range(z.ncols())
         ....:                    if i != j ])
@@ -252,7 +311,7 @@ def Z_transformations(K):
     The trivial cone in a trivial space has no Z-transformations::
 
         sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: Z_transformations(K)
+        sage: Z_transformation_gens(K)
         []
 
     Z-transformations on a subspace are Lyapunov-like and vice-versa::
@@ -261,7 +320,7 @@ def Z_transformations(K):
         sage: K.is_full_space()
         True
         sage: lls = span([ vector(l.list()) for l in K.lyapunov_like_basis() ])
-        sage: zs  = span([ vector(z.list()) for z in Z_transformations(K) ])
+        sage: zs  = span([ vector(z.list()) for z in Z_transformation_gens(K) ])
         sage: zs == lls
         True
 
@@ -270,8 +329,8 @@ def Z_transformations(K):
     The Z-property is possessed by every Z-transformation::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 6)
-        sage: Z_of_K = Z_transformations(K)
+        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
         ....:                                  for (x,s) in dcs])
@@ -280,34 +339,52 @@ def Z_transformations(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_transformations(K) ])
+        sage: z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_transformation_gens(K) ])
         sage: z_cone.linear_subspace() == lls
         True
 
+    And thus, the lineality of Z is the Lyapunov rank::
+
+        sage: set_random_seed()
+        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
     """
-    # 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.
-    V = K.lattice().vector_space()
-    W = VectorSpace(V.base_ring(), V.dimension()**2)
-
-    C_of_K = K.discrete_complementarity_set()
-    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for (x,s) in C_of_K ]
+    # Matrices are not vectors in Sage, so we have to convert them
+    # to vectors explicitly before we can find a basis. We need these
+    # two values to construct the appropriate "long vector" space.
+    F = K.lattice().base_field()
+    n = K.lattice_dim()
+
+    # These tensor products contain generators for the dual cone of
+    # the cross-positive transformations.
+    tensor_products = [ s.tensor_product(x)
+                        for (x,s) in K.discrete_complementarity_set() ]
 
     # Turn our matrices into long vectors...
+    W = VectorSpace(F, n**2)
     vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
 
     # Create the *dual* cone of the cross-positive operators,
     # expressed as long vectors..
-    L = ToricLattice(W.dimension())
-    Sigma_dual = Cone(vectors, lattice=L)
+    Sigma_dual = Cone(vectors, lattice=ToricLattice(W.dimension()))
 
     # Now compute the desired cone from its dual...
     Sigma_cone = Sigma_dual.dual()
@@ -315,6 +392,20 @@ def Z_transformations(K):
     # And finally convert its rays back to matrix representations.
     # But first, make them negative, so we get Z-transformations and
     # not cross-positive ones.
-    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
-
+    M = MatrixSpace(F, n)
     return [ -M(v.list()) for v in Sigma_cone.rays() ]
+
+
+def Z_cone(K):
+    gens = Z_transformation_gens(K)
+    L = None
+    if len(gens) == 0:
+        L = ToricLattice(0)
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L)
+
+def pi_cone(K):
+    gens = positive_operator_gens(K)
+    L = None
+    if len(gens) == 0:
+        L = ToricLattice(0)
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L)