]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/cone.py
Add SEEALSO blocks and inexact ring error tests.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index f5371d6d803cdbc97fe4ba41cb26f0ee691f1a2a..aeec0c90b5f582c8ba858d4b616fff191fb6d529 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 *
+from sage.geometry.cone import is_Cone
 
-
-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 basically_the_same(K1,K2):
-    r"""
-    ``True`` if ``K1`` and ``K2`` are basically the same, and ``False``
-    otherwise.
-    """
-    if K1.lattice_dim() != K2.lattice_dim():
-        return False
-
-    if K1.nrays() != K2.nrays():
-        return False
-
-    if K1.dim() != K2.dim():
-        return False
-
-    if lineality(K1) != lineality(K2):
-        return False
-
-    if K1.is_solid() != K2.is_solid():
-        return False
-
-    if K1.is_strictly_convex() != K2.is_strictly_convex():
-        return False
-
-    if len(LL(K1)) != len(LL(K2)):
-        return False
-
-    C_of_K1 = discrete_complementarity_set(K1)
-    C_of_K2 = discrete_complementarity_set(K2)
-    if len(C_of_K1) != len(C_of_K2):
-        return False
-
-    if len(K1.facets()) != len(K2.facets()):
-        return False
-
-    return True
-
-
-
-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.
-    # First we get an orthogonal (but not normal) basis...
-    M = matrix(V.base_field(), K.rays())
-    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_positive_on(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)
-
-
-
-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)
+    Determine whether or not ``L`` is positive on ``K``.
 
+    We say that ``L`` is positive on a closed convex cone ``K`` if
+    `L\left\lparen x \right\rparen` belongs to ``K`` for all `x` in
+    ``K``. This property need only be checked for generators of ``K``.
 
-
-def restrict_span(K, K2=None):
-    r"""
-    Restrict ``K`` into its own span, or the span of another cone.
+    To reliably check whether or not ``L`` is positive, its base ring
+    must be either exact (for example, the rationals) or ``SR``. An
+    exact ring is more reliable, but in some cases a matrix whose
+    entries contain symbolic constants like ``e`` and ``pi`` will work.
 
     INPUT:
 
-    - ``K2`` -- another cone whose lattice has the same rank as this cone.
-
-    OUTPUT:
+    - ``L`` -- A matrix over either an exact ring or ``SR``.
 
-    A new cone in a sublattice.
-
-    EXAMPLES::
-
-        sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: restrict_span(K) == K
-        True
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
-        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::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
-        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 = 8)
-        sage: K_S = restrict_span(K, K.dual() )
-        sage: K_S.lattice_dim() == K.dual().dim()
-        True
-
-    This function has ``unrestrict_span()`` as its inverse::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, 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::
+    If the base ring of ``L`` is exact, then ``True`` will be returned if
+    and only if ``L`` is positive on ``K``.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
-        sage: K.dim() == restrict_span(K).dim()
-        True
+    If the base ring of ``L`` is ``SR``, then the situation is more
+    complicated:
 
-    Nor should it affect the lineality of a cone::
+    - ``True`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is positive on ``K``.
+    - ``False`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is not positive on ``K``.
+    - ``False`` will also be returned if we can't decide; specifically
+      if we arrive at a symbolic inequality that cannot be resolved.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
-        sage: lineality(K) == lineality(restrict_span(K))
-        True
+    .. SEEALSO::
 
-    No matter which space we restrict to, the lineality should not
-    increase::
+          :func:`is_cross_positive_on`,
+          :func:`is_Z_operator_on`,
+          :func:`is_lyapunov_like_on`
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
-        sage: lineality(K) >= lineality(restrict_span(K))
-        True
-        sage: lineality(K) >= lineality(restrict_span(K, K.dual()))
-        True
+    EXAMPLES:
 
-    If we do this according to our paper, then the result is proper::
+    Nonnegative matrices are positive operators on the nonnegative
+    orthant::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=False, solid=False)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.is_proper()
-        True
-        sage: P = restrict_span(K_S, K_S.dual())
-        sage: P.is_proper()
+        sage: K = Cone([(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)])
+        sage: L = random_matrix(QQ,3).apply_map(abs)
+        sage: is_positive_on(L,K)
         True
 
-    ::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=True, solid=False)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.is_proper()
-        True
-        sage: P = restrict_span(K_S, K_S.dual())
-        sage: P.is_proper()
-        True
+    TESTS:
 
-    ::
+    The identity operator is always positive::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=False, solid=True)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.is_proper()
-        True
-        sage: P = restrict_span(K_S, K_S.dual())
-        sage: P.is_proper()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: L = identity_matrix(K.lattice_dim())
+        sage: is_positive_on(L,K)
         True
 
-    ::
+    The "zero" operator is always positive::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: K_S = restrict_span(K)
-        sage: P = restrict_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.is_proper()
-        True
-        sage: P = restrict_span(K_S, K_S.dual())
-        sage: P.is_proper()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
+        sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
+        sage: is_positive_on(L,K)
         True
 
-    Test the proposition in our paper concerning the duals, where the
-    subspace `W` is the span of `K^{*}`::
+    Everything in ``K.positive_operators_gens()`` should be
+    positive on ``K``::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, solid=False, strictly_convex=False)
-        sage: K_W = restrict_span(K, K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual()).dual()
-        sage: basically_the_same(K_W, K_star_W_star)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: all([ is_positive_on(L,K)                     # long time
+        ....:       for L in K.positive_operators_gens() ]) # long time
         True
-
-    ::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, solid=True, strictly_convex=False)
-        sage: K_W = restrict_span(K, K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual()).dual()
-        sage: basically_the_same(K_W, K_star_W_star)
+        sage: all([ is_positive_on(L.change_ring(SR),K)     # long time
+        ....:       for L in K.positive_operators_gens() ]) # long time
         True
 
-    ::
+    Technically we could test this, but for now only closed convex cones
+    are supported as our ``K`` argument::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, solid=False, strictly_convex=True)
-        sage: K_W = restrict_span(K, K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual()).dual()
-        sage: basically_the_same(K_W, K_star_W_star)
-        True
+        sage: K = [ vector([1,2,3]), vector([5,-1,7]) ]
+        sage: L = identity_matrix(3)
+        sage: is_positive_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: K must be a Cone.
 
-    ::
+    We can't give reliable answers over inexact rings::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, solid=True, strictly_convex=True)
-        sage: K_W = restrict_span(K, K.dual())
-        sage: K_star_W_star = restrict_span(K.dual()).dual()
-        sage: basically_the_same(K_W, K_star_W_star)
-        True
+        sage: K = Cone([(1,2,3), (4,5,6)])
+        sage: L = identity_matrix(RR,3)
+        sage: is_positive_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: The base ring of L is neither SR nor exact.
 
     """
-    if K2 is None:
-        K2 = K
 
-    phi,_ = ips_iso(K2)
-    (W, W_perp) = iso_space(K2).cartesian_factors()
+    if not is_Cone(K):
+        raise TypeError('K must be a Cone.')
+    if not L.base_ring().is_exact() and not L.base_ring() is SR:
+        raise ValueError('The base ring of L is neither SR nor exact.')
 
-    ray_pairs = [ phi(r) for r in K.rays() ]
+    if L.base_ring().is_exact():
+        # This should be way faster than computing the dual and
+        # checking a bunch of inequalities, but it doesn't work if
+        # ``L*x`` is symbolic. For example, ``e in Cone([(1,)])``
+        # is true, but returns ``False``.
+        return all([ L*x in K for x in K ])
+    else:
+        # Fall back to inequality-checking when the entries of ``L``
+        # might be symbolic.
+        return all([ s*(L*x) >= 0 for x in K for s in K.dual() ])
 
-    # Shouldn't matter?
-    #
-    #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 ]
+def is_cross_positive_on(L,K):
+    r"""
+    Determine whether or not ``L`` is cross-positive on ``K``.
 
-    L = ToricLattice(W.dimension())
+    We say that ``L`` is cross-positive on a closed convex cone``K`` if
+    `\left\langle L\left\lparenx\right\rparen,s\right\rangle \ge 0` for
+    all pairs `\left\langle x,s \right\rangle` in the complementarity
+    set of ``K``. This property need only be checked for generators of
+    ``K`` and its dual.
 
-    return Cone(ws, lattice=L)
+    To reliably check whether or not ``L`` is cross-positive, its base
+    ring must be either exact (for example, the rationals) or ``SR``. An
+    exact ring is more reliable, but in some cases a matrix whose
+    entries contain symbolic constants like ``e`` and ``pi`` will work.
 
+    INPUT:
 
+    - ``L`` -- A matrix over either an exact ring or ``SR``.
 
-def lineality(K):
-    r"""
-    Compute the lineality of this cone.
-
-    The lineality of a cone is the dimension of the largest linear
-    subspace contained in that cone.
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
     OUTPUT:
 
-    A nonnegative integer; the dimension of the largest subspace
-    contained within this cone.
-
-    REFERENCES:
+    If the base ring of ``L`` is exact, then ``True`` will be returned if
+    and only if ``L`` is cross-positive on ``K``.
 
-    .. [Rockafellar] R.T. Rockafellar. Convex Analysis. Princeton
-       University Press, Princeton, 1970.
+    If the base ring of ``L`` is ``SR``, then the situation is more
+    complicated:
 
-    EXAMPLES:
+    - ``True`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is cross-positive on ``K``.
+    - ``False`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is not cross-positive on ``K``.
+    - ``False`` will also be returned if we can't decide; specifically
+      if we arrive at a symbolic inequality that cannot be resolved.
 
-    The lineality of the nonnegative orthant is zero, since it clearly
-    contains no lines::
+    .. SEEALSO::
 
-        sage: K = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
-        sage: lineality(K)
-        0
+          :func:`is_positive_on`,
+          :func:`is_Z_operator_on`,
+          :func:`is_lyapunov_like_on`
 
-    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
+    EXAMPLES:
 
-    If our cone is all of `\mathbb{R}^{2}`, then its lineality is equal
-    to the dimension of the ambient space (i.e. two)::
+    The identity operator is always cross-positive::
 
-        sage: K = Cone([(1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)])
-        sage: lineality(K)
-        2
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: L = identity_matrix(K.lattice_dim())
+        sage: is_cross_positive_on(L,K)
+        True
 
-    Per the definition, the lineality of the trivial cone in a trivial
-    space is zero::
+    The "zero" operator is always cross-positive::
 
-        sage: K = Cone([], lattice=ToricLattice(0))
-        sage: lineality(K)
-        0
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
+        sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
+        sage: is_cross_positive_on(L,K)
+        True
 
     TESTS:
 
-    The lineality of a cone should be an integer between zero and the
-    dimension of the ambient space, inclusive::
+    Everything in ``K.cross_positive_operators_gens()`` should be
+    cross-positive on ``K``::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
-        sage: l = lineality(K)
-        sage: l in ZZ
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: all([ is_cross_positive_on(L,K)                     # long time
+        ....:       for L in K.cross_positive_operators_gens() ]) # long time
         True
-        sage: (0 <= l) and (l <= K.lattice_dim())
+        sage: all([ is_cross_positive_on(L.change_ring(SR),K)     # long time
+        ....:       for L in K.cross_positive_operators_gens() ]) # long time
         True
 
-    A strictly convex cone should have lineality zero::
+    Technically we could test this, but for now only closed convex cones
+    are supported as our ``K`` argument::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex = True)
-        sage: lineality(K)
-        0
-
-    """
-    return K.linear_subspace().dimension()
-
-
-def discrete_complementarity_set(K):
-    r"""
-    Compute the discrete complementarity set of this cone.
+        sage: L = identity_matrix(3)
+        sage: K = [ vector([8,2,-8]), vector([5,-5,7]) ]
+        sage: is_cross_positive_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: K must be a 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:
+    We can't give reliable answers over inexact rings::
 
-    The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
-    of pairs of standard basis vectors::
+        sage: K = Cone([(1,2,3), (4,5,6)])
+        sage: L = identity_matrix(RR,3)
+        sage: is_cross_positive_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: The base ring of L is neither SR nor exact.
 
-        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        [((1, 0), (0, 1)), ((0, 1), (1, 0))]
+    """
+    if not is_Cone(K):
+        raise TypeError('K must be a Cone.')
+    if not L.base_ring().is_exact() and not L.base_ring() is SR:
+        raise ValueError('The base ring of L is neither SR nor exact.')
 
-    If the cone consists of a single ray, the second components of the
-    discrete complementarity set should generate the orthogonal
-    complement of that ray::
+    return all([ s*(L*x) >= 0
+                 for (x,s) in K.discrete_complementarity_set() ])
 
-        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))]
+def is_Z_operator_on(L,K):
+    r"""
+    Determine whether or not ``L`` is a Z-operator on ``K``.
 
-    When the cone is the entire space, its dual is the trivial cone, so
-    the discrete complementarity set is empty::
+    We say that ``L`` is a Z-operator on a closed convex cone``K`` if
+    `\left\langle L\left\lparenx\right\rparen,s\right\rangle \le 0` for
+    all pairs `\left\langle x,s \right\rangle` in the complementarity
+    set of ``K``. It is known that this property need only be checked
+    for generators of ``K`` and its dual.
 
-        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        []
+    A matrix is a Z-operator on ``K`` if and only if its negation is a
+    cross-positive operator on ``K``.
 
-    TESTS:
+    To reliably check whether or not ``L`` is a Z operator, its base
+    ring must be either exact (for example, the rationals) or ``SR``. An
+    exact ring is more reliable, but in some cases a matrix whose
+    entries contain symbolic constants like ``e`` and ``pi`` will work.
 
-    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
-    components of the complementarity set of the original cone::
+    INPUT:
 
-        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)
-        True
+    - ``L`` -- A matrix over either an exact ring or ``SR``.
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
-    # 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()]
+    OUTPUT:
 
-    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
+    If the base ring of ``L`` is exact, then ``True`` will be returned if
+    and only if ``L`` is a Z-operator on ``K``.
 
+    If the base ring of ``L`` is ``SR``, then the situation is more
+    complicated:
 
-def LL(K):
-    r"""
-    Compute the space `\mathbf{LL}` of all Lyapunov-like transformations
-    on this cone.
+    - ``True`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is a Z-operator on ``K``.
+    - ``False`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is not a Z-operator on ``K``.
+    - ``False`` will also be returned if we can't decide; specifically
+      if we arrive at a symbolic inequality that cannot be resolved.
 
-    OUTPUT:
+    .. SEEALSO::
 
-    A list of matrices forming a basis for the space of all
-    Lyapunov-like transformations on the given cone.
+          :func:`is_positive_on`,
+          :func:`is_cross_positive_on`,
+          :func:`is_lyapunov_like_on`
 
     EXAMPLES:
 
-    The trivial cone has no Lyapunov-like transformations::
+    The identity operator is always a Z-operator::
 
-        sage: L = ToricLattice(0)
-        sage: K = Cone([], lattice=L)
-        sage: LL(K)
-        []
-
-    The Lyapunov-like transformations on the nonnegative orthant are
-    simply diagonal matrices::
-
-        sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: LL(K)
-        [[1]]
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: L = identity_matrix(K.lattice_dim())
+        sage: is_Z_operator_on(L,K)
+        True
 
-        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: LL(K)
-        [
-        [1 0]  [0 0]
-        [0 0], [0 1]
-        ]
+    The "zero" operator is always a Z-operator::
 
-        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.]_::
-
-        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: L3infty = Cone([(0,1,1), (1,0,1), (0,-1,1), (-1,0,1)])
-        sage: LL(L3infty)
-        [
-        [1 0 0]
-        [0 1 0]
-        [0 0 1]
-        ]
-
-    If our cone is the entire space, then every transformation on it is
-    Lyapunov-like::
-
-        sage: K = Cone([(1,0), (-1,0), (0,1), (0,-1)])
-        sage: M = MatrixSpace(QQ,2)
-        sage: M.basis() == LL(K)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
+        sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
+        sage: is_Z_operator_on(L,K)
         True
 
     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::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
-        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
-
-    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)`
+    Everything in ``K.Z_operators_gens()`` should be a Z-operator
+    on ``K``::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
-        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: all([ is_Z_operator_on(L,K)            # long time
+        ....:       for L in K.Z_operators_gens() ]) # long time
+        True
+        sage: all([ is_Z_operator_on(L.change_ring(SR),K) # long time
+        ....:       for L in K.Z_operators_gens() ])      # long time
         True
 
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
-
-    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for (x,s) in C_of_K ]
-
-    # 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)
-
-    # Turn our matrices into long vectors...
-    vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
+    Technically we could test this, but for now only closed convex cones
+    are supported as our ``K`` argument::
 
-    # Vector space representation of Lyapunov-like matrices
-    # (i.e. vec(L) where L is Luapunov-like).
-    LL_vector = W.span(vectors).complement()
+        sage: L = identity_matrix(3)
+        sage: K = [ vector([-4,20,3]), vector([1,-5,2]) ]
+        sage: is_Z_operator_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: K must be a Cone.
 
-    # Now construct an ambient MatrixSpace in which to stick our
-    # transformations.
-    M = MatrixSpace(V.base_ring(), V.dimension())
 
-    matrix_basis = [ M(v.list()) for v in LL_vector.basis() ]
+    We can't give reliable answers over inexact rings::
 
-    return matrix_basis
+        sage: K = Cone([(1,2,3), (4,5,6)])
+        sage: L = identity_matrix(RR,3)
+        sage: is_Z_operator_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: The base ring of L is neither SR nor exact.
 
+    """
+    return is_cross_positive_on(-L,K)
 
 
-def lyapunov_rank(K):
+def is_lyapunov_like_on(L,K):
     r"""
-    Compute the Lyapunov (or bilinearity) rank of this cone.
+    Determine whether or not ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
 
-    The Lyapunov rank of a cone can be thought of in (mainly) two ways:
+    We say that ``L`` is Lyapunov-like on a closed convex cone ``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``. This property need only be checked for generators of
+    ``K`` and its dual.
 
-    1. The dimension of the Lie algebra of the automorphism group of the
-       cone.
+    An operator is Lyapunov-like on ``K`` if and only if both the
+    operator itself and its negation are cross-positive on ``K``.
 
-    2. The dimension of the linear space of all Lyapunov-like
-       transformations on the cone.
+    To reliably check whether or not ``L`` is Lyapunov-like, its base
+    ring must be either exact (for example, the rationals) or ``SR``. An
+    exact ring is more reliable, but in some cases a matrix whose
+    entries contain symbolic constants like ``e`` and ``pi`` will work.
 
     INPUT:
 
-    A closed, convex polyhedral 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::
+    - ``L`` -- A matrix over either an exact ring or ``SR``.
 
-        :meth:`is_proper`
+    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
 
-    ALGORITHM:
+    OUTPUT:
 
-    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}`.
+    If the base ring of ``L`` is exact, then ``True`` will be returned if
+    and only if ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
 
-    REFERENCES:
+    If the base ring of ``L`` is ``SR``, then the situation is more
+    complicated:
 
-    .. [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.
+    - ``True`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is Lyapunov-like on ``K``.
+    - ``False`` will be returned if it can be proven that ``L``
+      is not Lyapunov-like on ``K``.
+    - ``False`` will also be returned if we can't decide; specifically
+      if we arrive at a symbolic inequality that cannot be resolved.
 
-    .. [Orlitzky/Gowda] M. Orlitzky and M. S. Gowda. The Lyapunov Rank of an
-       Improper Cone. Work in-progress.
+    .. SEEALSO::
 
-    .. [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.
+          :func:`is_positive_on`,
+          :func:`is_cross_positive_on`,
+          :func:`is_Z_operator_on`
 
     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)
-        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}`::
+    Diagonal matrices are Lyapunov-like operators on the nonnegative
+    orthant::
 
-        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 et al.]_::
-
-        sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: K = Cone([(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)])
+        sage: L = diagonal_matrix(random_vector(QQ,3))
+        sage: is_lyapunov_like_on(L,K)
         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=8, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: K2 = random_cone(max_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 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=8)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
-        True
-
-    Make sure we exercise the non-strictly-convex/non-solid case::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=False)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
-        True
-
-    Let's check the other permutations as well, just to be sure::
+    The identity operator is always Lyapunov-like::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=True)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: L = identity_matrix(K.lattice_dim())
+        sage: is_lyapunov_like_on(L,K)
         True
 
-    ::
+    The "zero" operator is always Lyapunov-like::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=False)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
+        sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
+        sage: is_lyapunov_like_on(L,K)
         True
 
-    ::
+    Everything in ``K.lyapunov_like_basis()`` should be Lyapunov-like
+    on ``K``::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=5)
+        sage: all([ is_lyapunov_like_on(L,K)            # long time
+        ....:       for L in K.lyapunov_like_basis() ]) # long time
         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_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
+        sage: all([ is_lyapunov_like_on(L.change_ring(SR),K) # long time
+        ....:       for L in K.lyapunov_like_basis() ])      # long time
         True
-        sage: b == n-1
-        False
-
-    In fact [Orlitzky/Gowda]_, no closed convex polyhedral cone can have
-    Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
-        sage: b = lyapunov_rank(K)
-        sage: n = K.lattice_dim()
-        sage: b == n-1
-        False
+    Technically we could test this, but for now only closed convex cones
+    are supported as our ``K`` argument::
 
-    The calculation of the Lyapunov rank of an improper cone can be
-    reduced to that of a proper cone [Orlitzky/Gowda]_::
+        sage: L = identity_matrix(3)
+        sage: K = [ vector([2,2,-1]), vector([5,4,-3]) ]
+        sage: is_lyapunov_like_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        TypeError: K must be a Cone.
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
-        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
-        True
-
-    The Lyapunov rank of a proper cone is just the dimension of ``LL(K)``::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
-        True
+    We can't give reliable answers over inexact rings::
 
-    In fact the same can be said of any cone. These additional tests
-    just increase our confidence that the reduction scheme works::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=False)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
-        True
-
-    ::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=True)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
-        True
-
-    ::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=False)
-        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
-        True
+        sage: K = Cone([(1,2,3), (4,5,6)])
+        sage: L = identity_matrix(RR,3)
+        sage: is_lyapunov_like_on(L,K)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: The base ring of L is neither SR nor exact.
 
     """
-    K_orig = K
-    beta = 0
+    if not is_Cone(K):
+        raise TypeError('K must be a Cone.')
+    if not L.base_ring().is_exact() and not L.base_ring() is SR:
+        raise ValueError('The base ring of L is neither SR nor exact.')
 
-    m = K.dim()
-    n = K.lattice_dim()
-    l = lineality(K)
+    return all([ s*(L*x) == 0
+                 for (x,s) in K.discrete_complementarity_set() ])
 
-    if m < n:
-        # K is not solid, project onto its span.
-        K = restrict_span(K)
 
-        # Lemma 2
-        beta += m*(n - m) + (n - m)**2
+def LL_cone(K):
+    gens = K.lyapunov_like_basis()
+    L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L, check=False)
 
-    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, K.dual())
+def Sigma_cone(K):
+    gens = K.cross_positive_operators_gens()
+    L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L, check=False)
 
-        # Lemma 3
-        beta += m * l
+def Z_cone(K):
+    gens = K.Z_operators_gens()
+    L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L, check=False)
 
-    beta += len(LL(K))
-    return beta
+def pi_cone(K1, K2=None):
+    if K2 is None:
+        K2 = K1
+    gens = K1.positive_operators_gens(K2)
+    L = ToricLattice(K1.lattice_dim()*K2.lattice_dim())
+    return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L, check=False)