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Remove random_element() for sage and start cleanup on motzkin_decomposition().
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 6fb15ae21e242085b223eac729c857b8d04b8189..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 drop_dependent(vs):
-    r"""
-    Return the largest linearly-independent subset of ``vs``.
-    """
-    if len(vs) == 0:
-        # ...for lazy enough definitions of linearly-independent
-        return vs
-
-    result = []
-    old_V = VectorSpace(vs[0].parent().base_field(), 0)
-
-    for v in vs:
-        new_V = span(result + [v])
-        if new_V.dimension() > old_V.dimension():
-            result.append(v)
-            old_V = new_V
-
-    return result
-
-
-def iso_space(K):
-    r"""
-    Construct the space `W \times W^{\perp}` isomorphic to the ambient space
-    of ``K`` where `W` is equal to the span of ``K``.
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    # Create the space W \times W^{\perp} isomorphic to V.
-    W_basis = drop_dependent(K.rays())
-    W = V.subspace_with_basis(W_basis)
-    W_perp = W.complement()
-
-    return W.cartesian_product(W_perp)
-
-
-def ips_iso(K):
+def is_lyapunov_like(L,K):
     r"""
-    Construct the IPS isomorphism and its inverse from our paper.
-
-    Given a cone ``K``, the returned isomorphism will split its ambient
-    vector space `V` into a cartesian product `W \times W^{\perp}` where
-    `W` equals the span of ``K``.
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-    V_iso = iso_space(K)
-    (W, W_perp) = V_iso.cartesian_factors()
-
-    # A space equivalent to V, but using our basis.
-    V_user = V.subspace_with_basis( W.basis() + W_perp.basis() )
-
-    def phi(v):
-        # Write v in terms of our custom basis, where the first dim(W)
-        # coordinates are for the W-part of the basis.
-        cs = V_user.coordinates(v)
-
-        w1 = sum([ V_user.basis()[idx]*cs[idx]
-                    for idx in range(0, W.dimension()) ])
-        w2 = sum([ V_user.basis()[idx]*cs[idx]
-                    for idx in range(W.dimension(), V.dimension()) ])
-
-        return V_iso( (w1, w2) )
-
-
-    def phi_inv( pair ):
-        # Crash if the arguments are in the wrong spaces.
-        V_iso(pair)
-
-        #w = sum([ sub_w[idx]*W.basis()[idx] for idx in range(0,m) ])
-        #w_prime = sum([ sub_w_prime[idx]*W_perp.basis()[idx]
-        #             for idx in range(0,n-m) ])
-
-        return sum( pair.cartesian_factors() )
-
-
-    return (phi,phi_inv)
-
-
+    Determine whether or not ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
 
-def unrestrict_span(K, K2=None):
-    if K2 is None:
-        K2 = K
-
-    _,phi_inv = ips_iso(K2)
-    V_iso = iso_space(K2)
-    (W, W_perp) = V_iso.cartesian_factors()
-
-    rays = []
-    for r in K.rays():
-        w = sum([ r[idx]*W.basis()[idx] for idx in range(0,len(r)) ])
-        pair = V_iso( (w, W_perp.zero()) )
-        rays.append( phi_inv(pair) )
-
-    L = ToricLattice(W.dimension() + W_perp.dimension())
-
-    return Cone(rays, lattice=L)
-
-
-
-def intersect_span(K1, K2):
-    r"""
-    Return a new cone obtained by intersecting ``K1`` with the span of ``K2``.
-    """
-    L = K1.lattice()
-
-    if L.rank() != K2.lattice().rank():
-        raise ValueError('K1 and K2 must belong to lattices of the same rank.')
-
-    SL_gens = list(K2.rays())
-    span_K2_gens = SL_gens + [ -g for g in SL_gens ]
-
-    # The lattices have the same rank (see above) so this should work.
-    span_K2 = Cone(span_K2_gens, L)
-    return K1.intersection(span_K2)
-
-
-
-def restrict_span(K, K2=None):
-    r"""
-    Restrict ``K`` into its own span, or the span of another cone.
+    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.
 
     INPUT:
 
-    - ``K2`` -- another cone whose lattice has the same rank as this cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    A new cone in a sublattice.
-
-    EXAMPLES::
-
-        sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: restrict_span(K) == K
-        True
-
-        sage: K2 = Cone([(1,0)])
-        sage: restrict_span(K2).rays()
-        N(1)
-        in 1-d lattice N
-        sage: K3 = Cone([(1,0,0)])
-        sage: restrict_span(K3).rays()
-        N(1)
-        in 1-d lattice N
-        sage: restrict_span(K2) == restrict_span(K3)
-        True
-
-    TESTS:
-
-    The projected cone should always be solid::
+    - ``L`` -- A linear transformation or matrix.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: K_S.is_solid()
-        True
-
-    And the resulting cone should live in a space having the same
-    dimension as the space we restricted it to::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K_S = restrict_span( intersect_span(K, K.dual()), K.dual() )
-        sage: K_S.lattice_dim() == K.dual().dim()
-        True
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
-    This function has ``unrestrict_span()`` as its inverse::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10, solid=True)
-        sage: J = restrict_span(K)
-        sage: K == unrestrict_span(J,K)
-        True
+    OUTPUT:
 
-    This function should not affect the dimension of a cone::
+    ``True`` if it can be proven that ``L`` is Lyapunov-like on ``K``,
+    and ``False`` otherwise.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K.dim() == restrict_span(K).dim()
-        True
+    .. WARNING::
 
-    Nor should it affect the lineality of a 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.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: lineality(K) == lineality(restrict_span(K))
-        True
+    REFERENCES:
 
-    No matter which space we restrict to, the lineality should not
-    increase::
+    M. Orlitzky. The Lyapunov rank of an improper cone.
+    http://www.optimization-online.org/DB_HTML/2015/10/5135.html
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: J = intersect_span(K, K.dual())
-        sage: lineality(K) >= lineality(restrict_span(J, K.dual()))
-        True
+    EXAMPLES:
 
-    If we do this according to our paper, then the result is proper::
+    The identity is always Lyapunov-like in a nontrivial space::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.is_proper()
+        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
 
-    If ``K`` is strictly convex, then both ``K_W`` and
-    ``K_star_W.dual()`` should equal ``K`` (after we unrestrict)::
+    As is the "zero" transformation::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10, strictly_convex=True)
-        sage: K_W = restrict_span(intersect_span(K,K.dual()), K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual()).dual()
-        sage: j1 = unrestrict_span(K_W, K.dual())
-        sage: j2 = unrestrict_span(K_star_W_star, K.dual())
-        sage: j1 == j2
+        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
-        sage: j1 == K
-        True
-        sage: K; [ list(r) for r in K.rays() ]
 
-    Test the proposition in our paper concerning the duals, where the
-    subspace `W` is the span of `K^{*}`::
+        Everything in ``K.lyapunov_like_basis()`` should be Lyapunov-like
+        on ``K``::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10, solid=False, strictly_convex=False)
-        sage: K_W = restrict_span(intersect_span(K,K.dual()), K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual(), K.dual()).dual()
-        sage: K_W.nrays() == K_star_W_star.nrays()
-        True
-        sage: K_W.dim() == K_star_W_star.dim()
-        True
-        sage: lineality(K_W) == lineality(K_star_W_star)
-        True
-        sage: K_W.is_solid() == K_star_W_star.is_solid()
-        True
-        sage: K_W.is_strictly_convex() == K_star_W_star.is_strictly_convex()
+        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 K2 is None:
-        K2 = K
-
-    phi,_ = ips_iso(K2)
-    (W, W_perp) = iso_space(K2).cartesian_factors()
-
-    ray_pairs = [ phi(r) for r in K.rays() ]
-
-    if any([ w2 != W_perp.zero() for (_, w2) in ray_pairs ]):
-        msg = 'Cone has nonzero components in W-perp!'
-        raise ValueError(msg)
-
-    # Represent the cone in terms of a basis for W, i.e. with smaller
-    # vectors.
-    ws = [ W.coordinate_vector(w1) for (w1, _) in ray_pairs ]
+    return all([(L*x).inner_product(s) == 0
+                for (x,s) in K.discrete_complementarity_set()])
 
-    L = ToricLattice(W.dimension())
 
-    return Cone(ws, lattice=L)
-
-
-
-def lineality(K):
+def motzkin_decomposition(K):
     r"""
-    Compute the lineality of this cone.
+    Return the pair of components in the motzkin decomposition of this cone.
 
-    The lineality of a cone is the dimension of the largest linear
-    subspace contained in that cone.
+    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``.
 
     OUTPUT:
 
-    A nonnegative integer; the dimension of the largest subspace
-    contained within this cone.
-
-    REFERENCES:
-
-    .. [Rockafellar] R.T. Rockafellar. Convex Analysis. Princeton
-       University Press, Princeton, 1970.
+    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:
 
-    The lineality of the nonnegative orthant is zero, since it clearly
-    contains no lines::
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
-        sage: lineality(K)
-        0
-
-    However, if we add another ray so that the entire `x`-axis belongs
-    to the cone, then the resulting cone will have lineality one::
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0), (-1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
-        sage: lineality(K)
-        1
-
-    If our cone is all of `\mathbb{R}^{2}`, then its lineality is equal
-    to the dimension of the ambient space (i.e. two)::
-
-        sage: K = Cone([(1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)])
-        sage: lineality(K)
-        2
-
-    Per the definition, the lineality of the trivial cone in a trivial
-    space is zero::
-
-        sage: K = Cone([], lattice=ToricLattice(0))
-        sage: lineality(K)
-        0
-
-    TESTS:
-
-    The lineality of a cone should be an integer between zero and the
-    dimension of the ambient space, inclusive::
+    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 = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: l = lineality(K)
-        sage: l in ZZ
+        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: (0 <= l) and (l <= K.lattice_dim())
+        sage: S.is_trivial()
         True
 
-    A strictly convex cone should have lineality zero::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10, strictly_convex = True)
-        sage: lineality(K)
-        0
-
-    """
-    return K.linear_subspace().dimension()
-
-
-def codim(K):
-    r"""
-    Compute the codimension of this cone.
-
-    The codimension of a cone is the dimension of the space of all
-    elements perpendicular to every element of the cone. In other words,
-    the codimension is the difference between the dimension of the
-    ambient space and the dimension of the cone itself.
-
-    OUTPUT:
+    Likewise, full spaces are their own subspace components::
 
-    A nonnegative integer representing the dimension of the space of all
-    elements perpendicular to this cone.
-
-    .. seealso::
-
-        :meth:`dim`, :meth:`lattice_dim`
-
-    EXAMPLES:
-
-    The codimension of the nonnegative orthant is zero, since the span of
-    its generators equals the entire ambient space::
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
-        sage: codim(K)
-        0
-
-    However, if we remove a ray so that the entire cone is contained
-    within the `x-y`-plane, then the resulting cone will have
-    codimension one, because the `z`-axis is perpendicular to every
-    element of the cone::
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0), (0,1,0)])
-        sage: codim(K)
-        1
-
-    If our cone is all of `\mathbb{R}^{2}`, then its codimension is zero::
-
-        sage: K = Cone([(1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)])
-        sage: codim(K)
-        0
-
-    And if the cone is trivial in any space, then its codimension is
-    equal to the dimension of the ambient space::
-
-        sage: K = Cone([], lattice=ToricLattice(0))
-        sage: codim(K)
-        0
-
-        sage: K = Cone([(0,)])
-        sage: codim(K)
-        1
-
-        sage: K = Cone([(0,0)])
-        sage: codim(K)
-        2
+        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:
 
-    The codimension of a cone should be an integer between zero and
-    the dimension of the ambient space, inclusive::
+    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_dim = 10)
-        sage: c = codim(K)
-        sage: c in ZZ
+        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: (0 <= c) and (c <= K.lattice_dim())
+        sage: x.is_zero() or (P.contains(x) != S.contains(x))
         True
 
-    A solid cone should have codimension zero::
+    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_dim = 10, solid = True)
-        sage: codim(K)
-        0
-
-    The codimension of a cone is equal to the lineality of its dual::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10, solid = True)
-        sage: codim(K) == lineality(K.dual())
+        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
 
-    """
-    return (K.lattice_dim() - K.dim())
-
-
-def discrete_complementarity_set(K):
-    r"""
-    Compute the discrete complementarity set of this 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 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:
-
-    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
-    components of the complementarity set of the original cone::
+    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: K1 = random_cone(max_dim=6)
-        sage: K2 = K1.dual()
-        sage: expected = [(x,s) for (s,x) in discrete_complementarity_set(K2)]
-        sage: actual = discrete_complementarity_set(K1)
-        sage: sorted(actual) == sorted(expected)
+        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()
+    linspace_gens  = [ copy(b) for b in K.linear_subspace().basis() ]
+    linspace_gens += [ -b for b in linspace_gens ]
 
-    # 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()]
+    S = Cone(linspace_gens, K.lattice())
 
-    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
+    # 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)
 
+    return (P,S)
 
-def LL(K):
+def positive_operator_gens(K):
     r"""
-    Compute the space `\mathbf{LL}` of all Lyapunov-like transformations
-    on this cone.
+    Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
 
     OUTPUT:
 
-    A list of matrices forming a basis for the space of all
-    Lyapunov-like transformations on the given cone.
+    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.
 
     EXAMPLES:
 
-    The trivial cone has no Lyapunov-like transformations::
+    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
 
-        sage: L = ToricLattice(0)
-        sage: K = Cone([], lattice=L)
-        sage: LL(K)
+        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
+        sage: positive_operator_gens(K)
         []
 
-    The Lyapunov-like transformations on the nonnegative orthant are
-    simply diagonal matrices::
+    Positive operators on the nonnegative orthant are nonnegative matrices::
 
         sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: LL(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [[1]]
 
         sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: LL(K)
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [
-        [1 0]  [0 0]
-        [0 0], [0 1]
+        [1 0]  [0 1]  [0 0]  [0 0]
+        [0 0], [0 0], [1 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.]_::
+    Every operator is positive on the ambient vector space::
 
-        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: K = Cone([(1,),(-1,)])
+        sage: K.is_full_space()
+        True
+        sage: positive_operator_gens(K)
+        [[1], [-1]]
 
-        sage: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
-        sage: LL(L3infty)
+        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
+        sage: K.is_full_space()
+        True
+        sage: positive_operator_gens(K)
         [
-        [1 0 0]
-        [0 1 0]
-        [0 0 1]
+        [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]
         ]
 
     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::
+    A positive operator on a cone should send its generators into the cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        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
+        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 Lyapunov-like transformations on a cone and its dual are related
-    by transposition, but we're not guaranteed to compute transposed
-    elements of `LL\left( K \right)` as our basis for `LL\left( K^{*}
-    \right)`
+    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_dim=8, max_rays=10)
-        sage: LL2 = [ L.transpose() for L in LL(K.dual()) ]
-        sage: V = VectorSpace( K.lattice().base_field(), K.lattice_dim()^2)
-        sage: LL1_vecs = [ V(m.list()) for m in LL(K) ]
-        sage: LL2_vecs = [ V(m.list()) for m in LL2   ]
-        sage: V.span(LL1_vecs) == V.span(LL2_vecs)
+        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
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
+    The lineality of the cone of positive operators is given by the
+    corollary in my paper::
 
-    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for (x,s) in C_of_K ]
+        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
 
-    # 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)
+    The cone ``K`` is proper if and only if the cone of positive
+    operators on ``K`` is proper::
 
-    # Turn our matrices into long vectors...
-    vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
+        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()
 
-    # Vector space representation of Lyapunov-like matrices
-    # (i.e. vec(L) where L is Luapunov-like).
-    LL_vector = W.span(vectors).complement()
+    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for x in K for s in K.dual() ]
 
-    # Now construct an ambient MatrixSpace in which to stick our
-    # transformations.
-    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
+    # Convert those tensor products to long vectors.
+    W = VectorSpace(F, n**2)
+    vectors = [ W(tp.list()) for tp in tensor_products ]
 
-    matrix_basis = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
+    # Create the *dual* cone of the positive operators, expressed as
+    # long vectors..
+    pi_dual = Cone(vectors, ToricLattice(W.dimension()))
 
-    return matrix_basis
+    # Now compute the desired cone from its dual...
+    pi_cone = pi_dual.dual()
 
+    # And finally convert its rays back to matrix representations.
+    M = MatrixSpace(F, n)
+    return [ M(v.list()) for v in pi_cone.rays() ]
 
 
-def lyapunov_rank(K):
+def Z_transformation_gens(K):
     r"""
-    Compute the Lyapunov (or bilinearity) rank of this cone.
-
-    The Lyapunov rank of a cone can be thought of in (mainly) two ways:
-
-    1. The dimension of the Lie algebra of the automorphism group of the
-       cone.
-
-    2. The dimension of the linear space of all Lyapunov-like
-       transformations on the cone.
-
-    INPUT:
-
-    A closed, convex polyhedral cone.
+    Compute generators of the cone of Z-transformations on this cone.
 
     OUTPUT:
 
-    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).
-
-    .. note::
-
-        In the references, the cones are always assumed to be proper. We
-        do not impose this restriction.
-
-    .. seealso::
-
-        :meth:`is_proper`
-
-    ALGORITHM:
-
-    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:
-
-    .. [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.
-
-    .. [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.
+    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`
-    [Rudolf et al.]_::
-
-        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 full space `\mathbb{R}^{n}` has Lyapunov rank `n^{2}`
-    [Orlitzky/Gowda]_::
-
-        sage: R5 = VectorSpace(QQ, 5)
-        sage: gs = R5.basis() + [ -r for r in R5.basis() ]
-        sage: K = Cone(gs)
-        sage: lyapunov_rank(K)
-        25
-
-    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 [Rudolf et al.]_::
-
-        sage: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
-        sage: lyapunov_rank(L3infty)
-        1
-
-    A single ray in `n` dimensions should have Lyapunov rank `n^{2} - n
-    + 1` [Orlitzky/Gowda]_::
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0,0,0)])
-        sage: lyapunov_rank(K)
-        21
-        sage: K.lattice_dim()**2 - K.lattice_dim() + 1
-        21
-
-    A subspace (of dimension `m`) in `n` dimensions should have a
-    Lyapunov rank of `n^{2} - m\left(n - m)` [Orlitzky/Gowda]_::
-
-        sage: e1 = (1,0,0,0,0)
-        sage: neg_e1 = (-1,0,0,0,0)
-        sage: e2 = (0,1,0,0,0)
-        sage: neg_e2 = (0,-1,0,0,0)
-        sage: z = (0,0,0,0,0)
-        sage: K = Cone([e1, neg_e1, e2, neg_e2, z, z, z])
-        sage: lyapunov_rank(K)
-        19
-        sage: K.lattice_dim()**2 - K.dim()*codim(K)
-        19
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of proper 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)])
-        sage: K = L31.cartesian_product(octant)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(L31) + lyapunov_rank(octant)
+    Z-transformations on the nonnegative orthant are just Z-matrices.
+    That is, matrices whose off-diagonal elements are nonnegative::
+
+        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 [Rudolf et al.]_.
-    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 [Rudolf et al.]_::
+    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
-
-    TESTS:
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of proper cones
-    [Rudolf et al.]_::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: K2 = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: K = K1.cartesian_product(K2)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
+        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
 
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself [Rudolf et al.]_::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
-        True
+    TESTS:
 
-    Make sure we exercise the non-strictly-convex/non-solid case::
+    The Z-property is possessed by every Z-transformation::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=False, solid=False)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        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 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::
+    The lineality space of Z is LL::
 
         sage: set_random_seed()
-        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
+        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
-        sage: b == n-1
-        False
 
-    In fact [Orlitzky/Gowda]_, no closed convex polyhedral cone can have
-    Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
+    And thus, the lineality of Z is the Lyapunov rank::
 
         sage: set_random_seed()
-        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: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=10)
-        sage: actual = lyapunov_rank(K)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: l = lineality(K)
-        sage: c = codim(K)
-        sage: expected = lyapunov_rank(P) + K.dim()*(l + c) + c**2
-        sage: actual == expected
+        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 Lyapunov rank of a proper cone is just the dimension of ``LL(K)``::
+    The lineality spaces of pi-star and Z-star are equal:
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
+        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
-
     """
-    K_orig = K
-    beta = 0
-
-    m = K.dim()
+    # 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()
-    l = lineality(K)
-
-    if m < n:
-        # K is not solid, project onto its span.
-        K = restrict_span(K)
-
-        # Lemma 2
-        beta += m*(n - m) + (n - m)**2
-
-    if l > 0:
-        # K is not pointed, project its dual onto its span.
-        # Uses a proposition from our paper, i.e. this is
-        # equivalent to K = restrict_span(K.dual()).dual()
-        K = restrict_span(intersect_span(K,K.dual()), K.dual())
-        #K = restrict_span(K.dual()).dual()
 
-        #Ks = [ list(r) for r in sorted(K.rays()) ]
-        #Js = [ list(r) for r in sorted(J.rays()) ]
+    # 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() ]
 
-        #if Ks != Js:
-        #    print [ list(r) for r in K_orig.rays() ]
-
-        # Lemma 3
-        beta += m * l
+    # Turn our matrices into long vectors...
+    W = VectorSpace(F, n**2)
+    vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
 
-    beta += len(LL(K))
-    return beta
+    # 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)