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Add more positive operator examples from the paper.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
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@@ -40,14 +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)
@@ -56,7 +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
 
@@ -65,64 +65,107 @@ 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 [Stoer-Witzgall]_. 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:
+
+    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``.
+
+    REFERENCES:
 
-    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.
+    .. [Stoer-Witzgall] J. Stoer and C. Witzgall. Convexity and
+       Optimization in Finite Dimensions I. Springer-Verlag, New
+       York, 1970.
 
     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 components are obtained from orthogonal
+    projections of the original generators [Stoer-Witzgall]_::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: (P,S) = motzkin_decomposition(K)
+        sage: A = S.linear_subspace().complement().matrix()
+        sage: proj_S_perp = A.transpose() * (A*A.transpose()).inverse() * A
+        sage: expected_P = Cone([ proj_S_perp*g for g in K ], K.lattice())
+        sage: P.is_equivalent(expected_P)
+        True
+        sage: A = S.linear_subspace().matrix()
+        sage: proj_S = A.transpose() * (A*A.transpose()).inverse() * A
+        sage: expected_S = Cone([ proj_S*g for g in K ], K.lattice())
+        sage: S.is_equivalent(expected_S)
+        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)) ]
+    # 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.
+    S_perp = Cone(S.dual(), K.lattice())
+    P = K.intersection(S_perp)
 
-    # 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
+    return (P,S)
 
 
-def positive_operators(K):
+def positive_operator_gens(K):
     r"""
     Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
 
@@ -136,83 +179,175 @@ def positive_operators(K):
 
     EXAMPLES:
 
-    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
-
-        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: positive_operators(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]
         ]
 
+    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,)])
         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]
         ]
 
+    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()) 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().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().list())
+        sage: K.contains(P*K.random_element())
+        True
+
+    The dimension of the cone of positive operators is given by the
+    corollary in my paper::
 
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 6)
-        sage: pi_of_K = positive_operators(K)
-        sage: all([K.contains(p*x) for p in pi_of_K for x in K.rays()])
+        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.
 
@@ -230,13 +365,13 @@ 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 ])
@@ -245,7 +380,7 @@ 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::
@@ -254,7 +389,7 @@ 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
 
@@ -263,8 +398,8 @@ 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])
@@ -273,34 +408,52 @@ 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()
@@ -308,6 +461,20 @@ 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)