]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/cone.py
Remove random_element() for sage and start cleanup on motzkin_decomposition().
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 3b724a7c0fe8d0305351aae778b23978ed79e8f4..a1ded5270032de21f2647de8453384fde4804c72 100644 (file)
-# 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 random_cone(min_dim=0, max_dim=None, min_rays=0, max_rays=None):
+def is_lyapunov_like(L,K):
     r"""
-    Generate a random rational convex polyhedral cone.
+    Determine whether or not ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
 
-    Lower and upper bounds may be provided for both the dimension of the
-    ambient space and the number of generating rays of the cone. If a
-    lower bound is left unspecified, it defaults to zero. Unspecified
-    upper bounds will be chosen randomly.
+    We say that ``L`` is Lyapunov-like on ``K`` if `\left\langle
+    L\left\lparenx\right\rparen,s\right\rangle = 0` for all pairs
+    `\left\langle x,s \right\rangle` in the complementarity set of
+    ``K``. It is known [Orlitzky]_ that this property need only be
+    checked for generators of ``K`` and its dual.
 
-    The lower bound on the number of rays is limited to twice the
-    maximum dimension of the ambient vector space. To see why, consider
-    the space $\mathbb{R}^{2}$, and suppose we have generated four rays,
-    $\left\{ \pm e_{1}, \pm e_{2} \right\}$. Clearly any other ray in
-    the space is a nonnegative linear combination of those four,
-    so it is hopeless to generate more. It is therefore an error
-    to request more in the form of ``min_rays``.
+    INPUT:
 
-    .. NOTE:
+    - ``L`` -- A linear transformation or matrix.
 
-        If you do not explicitly request more than ``2 * max_dim`` rays,
-        a larger number may still be randomly generated. In that case,
-        the returned cone will simply be equal to the entire space.
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
-    INPUT:
+    OUTPUT:
 
-    - ``min_dim`` (default: zero) -- A nonnegative integer representing the
-                                     minimum dimension of the ambient lattice.
+    ``True`` if it can be proven that ``L`` is Lyapunov-like on ``K``,
+    and ``False`` otherwise.
 
-    - ``max_dim`` (default: random) -- A nonnegative integer representing
-                                       the maximum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+    .. WARNING::
 
-    - ``min_rays`` (default: zero) -- A nonnegative integer representing the
-                                      minimum number of generating rays of the
-                                      cone.
+        If this function returns ``True``, then ``L`` is Lyapunov-like
+        on ``K``. However, if ``False`` is returned, that could mean one
+        of two things. The first is that ``L`` is definitely not
+        Lyapunov-like on ``K``. The second is more of an "I don't know"
+        answer, returned (for example) if we cannot prove that an inner
+        product is zero.
 
-    - ``max_rays`` (default: random) -- A nonnegative integer representing the
-                                        maximum number of generating rays of
-                                        the cone.
+    REFERENCES:
 
-    OUTPUT:
+    M. Orlitzky. The Lyapunov rank of an improper cone.
+    http://www.optimization-online.org/DB_HTML/2015/10/5135.html
 
-    A new, randomly generated cone.
+    EXAMPLES:
 
-    A ``ValueError` will be thrown under the following conditions:
+    The identity is always Lyapunov-like in a nontrivial space::
 
-      * Any of ``min_dim``, ``max_dim``, ``min_rays``, or ``max_rays``
-        are negative.
+        sage: set_random_seed()
+        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
 
-      * ``max_dim`` is less than ``min_dim``.
+    As is the "zero" transformation::
 
-      * ``max_rays`` is less than ``min_rays``.
+        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)
+        True
 
-      * ``min_rays`` is greater than twice ``max_dim``.
+        Everything in ``K.lyapunov_like_basis()`` should be Lyapunov-like
+        on ``K``::
 
-    EXAMPLES:
+        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
 
-    If we set the lower/upper bounds to zero, then our result is
-    predictable::
+    """
+    return all([(L*x).inner_product(s) == 0
+                for (x,s) in K.discrete_complementarity_set()])
 
-        sage: random_cone(0,0,0,0)
-        0-d cone in 0-d lattice N
 
-    We can predict the dimension when ``min_dim == max_dim``::
+def motzkin_decomposition(K):
+    r"""
+    Return the pair of components in the motzkin decomposition of this cone.
 
-        sage: random_cone(min_dim=4, max_dim=4, min_rays=0, max_rays=0)
-        0-d cone in 4-d lattice N
+    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``.
 
-    Likewise for the number of rays when ``min_rays == max_rays``::
+    OUTPUT:
 
-        sage: random_cone(min_dim=10, max_dim=10, min_rays=10, max_rays=10)
-        10-d cone in 10-d lattice N
+    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``.
 
-    TESTS:
+    EXAMPLES:
 
-    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 nonnegative orthant is strictly convex, so it is its own
+    strictly convex component and its subspace component is trivial::
 
-        sage: from sage.geometry.cone import is_Cone # long time
-        sage: K = random_cone() # long time
-        sage: is_Cone(K)        # long time
+        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
 
-    The upper/lower bounds are respected::
+    Likewise, full spaces are their own subspace components::
 
-        sage: K = random_cone(min_dim=5, max_dim=10, min_rays=3, max_rays=4)
-        sage: 5 <= K.lattice_dim() and K.lattice_dim() <= 10
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: 3 <= K.nrays() and K.nrays() <= 4
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: K.is_equivalent(S)
+        True
+        sage: P.is_trivial()
         True
 
-    Ensure that an exception is raised when either lower bound is greater
-    than its respective upper bound::
+    TESTS:
 
-        sage: random_cone(min_dim=5, max_dim=2)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: max_dim cannot be less than min_dim.
+    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: random_cone(min_rays=5, max_rays=2)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: max_rays cannot be less than min_rays.
+        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
 
-    And if we request too many rays::
+    The strictly convex component should always be strictly convex, and
+    the subspace component should always be a subspace::
 
-        sage: random_cone(min_rays=5, max_dim=1)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: min_rays cannot be larger than twice max_dim.
+        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
     """
+    linspace_gens  = [ copy(b) for b in K.linear_subspace().basis() ]
+    linspace_gens += [ -b for b in linspace_gens ]
 
-    # Catch obvious mistakes so that we can generate clear error
-    # messages.
-
-    if min_dim < 0:
-        raise ValueError('min_dim must be nonnegative.')
-
-    if min_rays < 0:
-        raise ValueError('min_rays must be nonnegative.')
-
-    if max_dim is not None:
-        if max_dim < 0:
-            raise ValueError('max_dim must be nonnegative.')
-        if (max_dim < min_dim):
-            raise ValueError('max_dim cannot be less than min_dim.')
-        if min_rays > 2*max_dim:
-            raise ValueError('min_rays cannot be larger than twice max_dim.')
-
-    if max_rays is not None:
-        if max_rays < 0:
-            raise ValueError('max_rays must be nonnegative.')
-        if (max_rays < min_rays):
-            raise ValueError('max_rays cannot be less than min_rays.')
-
-
-    def random_min_max(l,u):
-        r"""
-        We need to handle two cases for the upper bounds, and we need to do
-        the same thing for max_dim/max_rays. So we consolidate the logic here.
-        """
-        if u is None:
-            # The upper bound is unspecified; return a random integer
-            # in [l,infinity).
-            return l + ZZ.random_element().abs()
-        else:
-            # We have an upper bound, and it's greater than or equal
-            # to our lower bound. So we generate a random integer in
-            # [0,u-l], and then add it to l to get something in
-            # [l,u]. To understand the "+1", check the
-            # ZZ.random_element() docs.
-            return l + ZZ.random_element(u - l + 1)
-
-    def is_full_space(K):
-        r"""
-        Is this cone equivalent to the full ambient vector space?
-        """
-        return K.lines().dim() == K.lattice_dim()
-
-    d = random_min_max(min_dim, max_dim)
-    r = random_min_max(min_rays, max_rays)
-
-    L = ToricLattice(d)
-
-    # The rays are trickier to generate, since we could generate v and
-    # 2*v as our "two rays." In that case, the resuting cone would
-    # have one generating ray. To avoid such a situation, we start by
-    # generating ``r`` rays where ``r`` is the number we want to end
-    # up with...
-    rays = [L.random_element() for i in range(0, r)]
-
-    # (The lattice parameter is required when no rays are given, so we
-    # pass it just in case ``r == 0``).
-    K = Cone(rays, lattice=L)
-
-    # Now if we generated two of the "same" rays, we'll have fewer
-    # generating rays than ``r``. In that case, we keep making up new
-    # rays and recreating the cone until we get the right number of
-    # independent generators. We can obviously stop if ``K`` is the
-    # entire ambient vector space.
-    while r > K.nrays() and not is_full_space(K):
-        rays.append(L.random_element())
-        K = Cone(rays)
-
-    return K
-
-
-def discrete_complementarity_set(K):
-    r"""
-    Compute the discrete complementarity set of this cone.
+    S = Cone(linspace_gens, K.lattice())
 
-    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.
+    # 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)
 
-    OUTPUT:
+    return (P,S)
 
-    A list of pairs `(x,s)` such that,
+def positive_operator_gens(K):
+    r"""
+    Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
 
-      * `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.
+    OUTPUT:
 
-    EXAMPLES:
+    A list of `n`-by-``n`` matrices where ``n == K.lattice_dim()``.
+    Each matrix ``P`` in the list should have the property that ``P*x``
+    is an element of ``K`` whenever ``x`` is an element of
+    ``K``. Moreover, any nonnegative linear combination of these
+    matrices shares the same property.
 
-    The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
-    of pairs of standard basis vectors::
+    EXAMPLES:
 
-        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::
+    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
 
-        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
+        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
+        sage: positive_operator_gens(K)
         []
 
-    TESTS:
-
-    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
-    components of the complementarity set of the original cone::
+    Positive operators on the nonnegative orthant are nonnegative matrices::
 
-        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
+        sage: K = Cone([(1,)])
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [[1]]
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [
+        [1 0]  [0 1]  [0 0]  [0 0]
+        [0 0], [0 0], [1 0], [0 1]
+        ]
 
-    # 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()]
+    Every operator is positive on the ambient vector space::
 
-    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
+        sage: K = Cone([(1,),(-1,)])
+        sage: K.is_full_space()
+        True
+        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_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]
+        ]
 
-def lyapunov_rank(K):
-    r"""
-    Compute the Lyapunov (or bilinearity) rank of this cone.
+    TESTS:
 
-    The Lyapunov rank of a cone can be thought of in (mainly) two ways:
+    A positive operator on a cone should send its generators into the cone::
 
-    1. The dimension of the Lie algebra of the automorphism group of 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.rays()])
+        True
 
-    2. The dimension of the linear space of all Lyapunov-like
-       transformations on the cone.
+    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
 
-    INPUT:
+    The lineality of the cone of positive operators is given by the
+    corollary in my paper::
 
-    A closed, convex polyhedral cone.
+        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
 
-    OUTPUT:
+    The cone ``K`` is proper if and only if the cone of positive
+    operators on ``K`` is proper::
 
-    An integer representing the Lyapunov rank of the cone. If the
-    dimension of the ambient vector space is `n`, then the Lyapunov rank
-    will be between `1` and `n` inclusive; however a rank of `n-1` is
-    not possible (see the first reference).
+        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
+    """
+    # 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()
 
-    .. note::
+    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for x in K for s in K.dual() ]
 
-        In the references, the cones are always assumed to be proper. We
-        do not impose this restriction.
+    # Convert those tensor products to long vectors.
+    W = VectorSpace(F, n**2)
+    vectors = [ W(tp.list()) for tp in tensor_products ]
 
-    .. seealso::
+    # Create the *dual* cone of the positive operators, expressed as
+    # long vectors..
+    pi_dual = Cone(vectors, ToricLattice(W.dimension()))
 
-        :meth:`is_proper`
+    # Now compute the desired cone from its dual...
+    pi_cone = pi_dual.dual()
 
-    ALGORITHM:
+    # And finally convert its rays back to matrix representations.
+    M = MatrixSpace(F, n)
+    return [ M(v.list()) for v in pi_cone.rays() ]
 
-    The codimension formula from the second reference is used. We find
-    all pairs `(x,s)` in the complementarity set of `K` such that `x`
-    and `s` are rays of our cone. It is known that these vectors are
-    sufficient to apply the codimension formula. Once we have all such
-    pairs, we "brute force" the codimension formula by finding all
-    linearly-independent `xs^{T}`.
 
-    REFERENCES:
+def Z_transformation_gens(K):
+    r"""
+    Compute generators of the cone of Z-transformations on this cone.
 
-    1. M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper cone
-       and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
-       (2014) 155-170.
+    OUTPUT:
 
-    2. 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.
+    A list of `n`-by-``n`` matrices where ``n == K.lattice_dim()``.
+    Each matrix ``L`` in the list should have the property that
+    ``(L*x).inner_product(s) <= 0`` whenever ``(x,s)`` is an element the
+    discrete complementarity set of ``K``. Moreover, any nonnegative
+    linear combination of these matrices shares the same property.
 
     EXAMPLES:
 
-    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`::
-
-        sage: positives = Cone([(1,)])
-        sage: lyapunov_rank(positives)
-        1
-        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: lyapunov_rank(octant)
-        3
-
-    The `L^{3}_{1}` cone is known to have a Lyapunov rank of one::
-
-        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::
+    Z-transformations on the nonnegative orthant are just Z-matrices.
+    That is, matrices whose off-diagonal elements are nonnegative::
 
-        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::
-
-        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)])
-        sage: K = L31.cartesian_product(octant)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(L31) + lyapunov_rank(octant)
+        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
+        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_transformation_gens(K)
+        ....:                    for i in range(z.nrows())
+        ....:                    for j in range(z.ncols())
+        ....:                    if i != j ])
         True
 
-    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank. The cone
-    ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
-    octant in `\mathbb{R}^{3}`::
+    The trivial cone in a trivial space has no Z-transformations::
 
-        sage: K = Cone([(1,2,3), (-1,1,0), (1,0,6)])
-        sage: lyapunov_rank(K)
-        3
+        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
+        sage: Z_transformation_gens(K)
+        []
 
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    Z-transformations on a subspace are Lyapunov-like and vice-versa::
 
-        sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        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_transformation_gens(K) ])
+        sage: zs == lls
         True
 
     TESTS:
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Z-property is possessed by every Z-transformation::
 
-        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)
+        sage: set_random_seed()
+        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])
         True
 
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    The lineality space of Z is LL::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: set_random_seed()
+        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
         True
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
-
-    matrices = [x.tensor_product(s) for (x,s) in C_of_K]
+    And thus, the lineality of Z is the Lyapunov rank::
 
-    # 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())
+        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
 
-    vectors = [phi(m) for m in matrices]
+    The lineality spaces of pi-star and Z-star are equal:
 
-    return (W.dimension() - W.span(vectors).rank())
+        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
+    # 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..
+    Sigma_dual = Cone(vectors, lattice=ToricLattice(W.dimension()))
+
+    # Now compute the desired cone from its dual...
+    Sigma_cone = Sigma_dual.dual()
+
+    # 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(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)