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Add more positive operator examples from the paper.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index c1b7ffdcbdc4e6a8e585b38e5493fe1d4060f3c8..ae3ec48cddc9700d4f63ae378fc01b178dee6e3b 100644 (file)
@@ -1,461 +1,5 @@
-# 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 _basically_the_same(K1, K2):
-    r"""
-    Test whether or not ``K1`` and ``K2`` are "basically the same."
-
-    This is a hack to get around the fact that it's difficult to tell
-    when two cones are linearly isomorphic. We have a proposition that
-    equates two cones, but represented over `\mathbb{Q}`, they are
-    merely linearly isomorphic (not equal). So rather than test for
-    equality, we test a list of properties that should be preserved
-    under an invertible linear transformation.
-
-    OUTPUT:
-
-    ``True`` if ``K1`` and ``K2`` are basically the same, and ``False``
-    otherwise.
-
-    EXAMPLES:
-
-    Any proper cone with three generators in `\mathbb{R}^{3}` is
-    basically the same as the nonnegative orthant::
-
-        sage: K1 = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
-        sage: K2 = Cone([(1,2,3), (3, 18, 4), (66, 51, 0)])
-        sage: _basically_the_same(K1, K2)
-        True
-
-    Negating a cone gives you another cone that is basically the same::
-
-        sage: K = Cone([(0,2,-5), (-6, 2, 4), (0, 51, 0)])
-        sage: _basically_the_same(K, -K)
-        True
-
-    TESTS:
-
-    Any cone is basically the same as itself::
-
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: _basically_the_same(K, K)
-        True
-
-    After applying an invertible matrix to the rows of a cone, the
-    result should be basically the same as the cone we started with::
-
-        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
-        sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
-        sage: _basically_the_same(K1, K2)
-        True
-
-    """
-    if K1.lattice_dim() != K2.lattice_dim():
-        return False
-
-    if K1.nrays() != K2.nrays():
-        return False
-
-    if K1.dim() != K2.dim():
-        return False
-
-    if K1.lineality() != K2.lineality():
-        return False
-
-    if K1.is_solid() != K2.is_solid():
-        return False
-
-    if K1.is_strictly_convex() != K2.is_strictly_convex():
-        return False
-
-    if len(K1.lyapunov_like_basis()) != len(K2.lyapunov_like_basis()):
-        return False
-
-    C_of_K1 = K1.discrete_complementarity_set()
-    C_of_K2 = K2.discrete_complementarity_set()
-    if len(C_of_K1) != len(C_of_K2):
-        return False
-
-    if len(K1.facets()) != len(K2.facets()):
-        return False
-
-    return True
-
-
-
-def _restrict_to_space(K, W):
-    r"""
-    Restrict this cone a subspace of its ambient space.
-
-    INPUT:
-
-    - ``W`` -- The subspace into which this cone will be restricted.
-
-    OUTPUT:
-
-    A new cone in a sublattice corresponding to ``W``.
-
-    EXAMPLES:
-
-    When this cone is solid, restricting it into its own span should do
-    nothing::
-
-        sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: _restrict_to_space(K, K.span()) == K
-        True
-
-    A single ray restricted into its own span gives the same output
-    regardless of the ambient space::
-
-        sage: K2 = Cone([(1,0)])
-        sage: K2_S = _restrict_to_space(K2, K2.span()).rays()
-        sage: K2_S
-        N(1)
-        in 1-d lattice N
-        sage: K3 = Cone([(1,0,0)])
-        sage: K3_S = _restrict_to_space(K3, K3.span()).rays()
-        sage: K3_S
-        N(1)
-        in 1-d lattice N
-        sage: K2_S == K3_S
-        True
-
-    TESTS:
-
-    The projected cone should always be solid::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: _restrict_to_space(K, K.span()).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_ambient_dim = 8)
-        sage: K_P = _restrict_to_space(K, K.dual().span())
-        sage: K_P.lattice_dim() == K.dual().dim()
-        True
-
-    This function should not affect the dimension of a cone::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: K.dim() == _restrict_to_space(K,K.span()).dim()
-        True
-
-    Nor should it affect the lineality of a cone::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: K.lineality() == _restrict_to_space(K, K.span()).lineality()
-        True
-
-    No matter which space we restrict to, the lineality should not
-    increase::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: S = K.span(); P = K.dual().span()
-        sage: K.lineality() >= _restrict_to_space(K,S).lineality()
-        True
-        sage: K.lineality() >= _restrict_to_space(K,P).lineality()
-        True
-
-    If we do this according to our paper, then the result is proper::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: K_S = _restrict_to_space(K, K.span())
-        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S.dual(), K_S.dual().span()).dual()
-        sage: K_SP.is_proper()
-        True
-        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S, K_S.dual().span())
-        sage: K_SP.is_proper()
-        True
-
-    Test the proposition in our paper concerning the duals and
-    restrictions. Generate a random cone, then create a subcone of
-    it. The operation of dual-taking should then commute with
-    _restrict_to_space::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
-        sage: K_W_star = _restrict_to_space(K, J.span()).dual()
-        sage: K_star_W = _restrict_to_space(K.dual(), J.span())
-        sage: _basically_the_same(K_W_star, K_star_W)
-        True
-
-    """
-    # First we want to intersect ``K`` with ``W``. The easiest way to
-    # do this is via cone intersection, so we turn the subspace ``W``
-    # into a cone.
-    W_cone = Cone(W.basis() + [-b for b in W.basis()], lattice=K.lattice())
-    K = K.intersection(W_cone)
-
-    # We've already intersected K with the span of K2, so every
-    # generator of K should belong to W now.
-    K_W_rays = [ W.coordinate_vector(r) for r in K.rays() ]
-
-    L = ToricLattice(W.dimension())
-    return Cone(K_W_rays, lattice=L)
-
-
-def lyapunov_rank(K):
-    r"""
-    Compute the Lyapunov rank of this cone.
-
-    The Lyapunov rank of a cone is the dimension of the space of its
-    Lyapunov-like transformations -- that is, the length of a
-    :meth:`lyapunov_like_basis`. Equivalently, the Lyapunov rank is the
-    dimension of the Lie algebra of the automorphism group of the cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    A nonnegative integer representing the Lyapunov rank of this cone.
-
-    If the ambient space is trivial, the Lyapunov rank will be zero.
-    Otherwise, if the dimension of the ambient vector space is `n`, then
-    the resulting Lyapunov rank will be between `1` and `n` inclusive. A
-    Lyapunov rank of `n-1` is not possible [Orlitzky]_.
-
-    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.
-
-    M. Orlitzky. The Lyapunov rank of an improper cone.
-    http://www.optimization-online.org/DB_HTML/2015/10/5135.html
-
-    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.
-
-    EXAMPLES:
-
-    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`
-    [Rudolf]_::
-
-        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]_::
-
-        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]_::
-
-        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]_::
-
-        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]_::
-
-        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]_::
-
-        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()*K.codim()
-        19
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of proper cones
-    [Rudolf]_::
-
-        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)
-        True
-
-    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank [Rudolf]_.
-    The cone ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
-    octant in `\mathbb{R}^{3}`::
-
-        sage: K = Cone([(1,2,3), (-1,1,0), (1,0,6)])
-        sage: lyapunov_rank(K)
-        3
-
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself [Rudolf]_::
-
-        sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
-        True
-
-    TESTS:
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of proper cones
-    [Rudolf]_::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
-        ....:                  strictly_convex=True,
-        ....:                  solid=True)
-        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=8,
-        ....:                  strictly_convex=True,
-        ....:                  solid=True)
-        sage: K = K1.cartesian_product(K2)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
-        True
-
-    The Lyapunov rank is invariant under a linear isomorphism
-    [Orlitzky]_::
-
-        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim = 8)
-        sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
-        sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
-        sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
-        True
-
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself [Rudolf]_::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
-        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::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
-        ....:                 strictly_convex=True,
-        ....:                 solid=True)
-        sage: b = lyapunov_rank(K)
-        sage: n = K.lattice_dim()
-        sage: (n == 0 or 1 <= b) and b <= n
-        True
-        sage: b == n-1
-        False
-
-    In fact [Orlitzky]_, no closed convex polyhedral cone can have
-    Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
-        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]_::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
-        sage: actual = lyapunov_rank(K)
-        sage: K_S = _restrict_to_space(K, K.span())
-        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S.dual(), K_S.dual().span()).dual()
-        sage: l = K.lineality()
-        sage: c = K.codim()
-        sage: expected = lyapunov_rank(K_SP) + K.dim()*(l + c) + c**2
-        sage: actual == expected
-        True
-
-    The Lyapunov rank of a cone is the size of a :meth:`lyapunov_like_basis`::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(K.lyapunov_like_basis())
-        True
-
-    We can make an imperfect cone perfect by adding a slack variable
-    (a Theorem in [Orlitzky]_)::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
-        ....:                 strictly_convex=True,
-        ....:                 solid=True)
-        sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim() + 1)
-        sage: K = Cone([ r.list() + [0] for r in K.rays() ], lattice=L)
-        sage: lyapunov_rank(K) >= K.lattice_dim()
-        True
-
-    """
-    beta = 0 # running tally of the Lyapunov rank
-
-    m = K.dim()
-    n = K.lattice_dim()
-    l = K.lineality()
-
-    if m < n:
-        # K is not solid, restrict to its span.
-        K = _restrict_to_space(K, K.span())
-
-        # Non-solid reduction lemma.
-        beta += (n - m)*n
-
-    if l > 0:
-        # K is not pointed, restrict to the span of its dual. Uses a
-        # proposition from our paper, i.e. this is equivalent to K =
-        # _rho(K.dual()).dual().
-        K = _restrict_to_space(K, K.dual().span())
-
-        # Non-pointed reduction lemma.
-        beta += l * m
-
-    beta += len(K.lyapunov_like_basis())
-    return beta
-
-
-
 def is_lyapunov_like(L,K):
     r"""
     Determine whether or not ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
@@ -496,14 +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)
@@ -512,7 +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
 
@@ -521,64 +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:
 
-    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``.
+
+    REFERENCES:
+
+    .. [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.
 
@@ -592,83 +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: 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: 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: 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.
 
@@ -686,13 +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 ])
@@ -701,7 +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::
@@ -710,7 +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
 
@@ -719,8 +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])
@@ -729,34 +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()
@@ -764,6 +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)