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README: rewrite it, it was rather out-of-date
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 48e6f4363aadcf3f668603fa2e8019fdb9e107d2..b7456e21abc170d6479f9010a2b7ccdd5ab9438d 100644 (file)
-# Sage doesn't load ~/.sage/init.sage during testing (sage -t), so we
-# have to explicitly mangle our sitedir here so that "mjo.cone"
-# resolves.
-from os.path import abspath
-from site import addsitedir
-addsitedir(abspath('../../'))
-
 from sage.all import *
 
-def rename_lattice(L,s):
-    r"""
-    Change all names of the given lattice to ``s``.
-    """
-    L._name = s
-    L._dual_name = s
-    L._latex_name = s
-    L._latex_dual_name = s
-
-def span_iso(K):
-    r"""
-    Return an isomorphism (and its inverse) that will send ``K`` into a
-    lower-dimensional space isomorphic to its span (and back).
-
-    EXAMPLES:
-
-    The inverse composed with the isomorphism should be the identity::
-
-        sage: K = random_cone(max_dim=10)
-        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
-        sage: phi_inv(phi(K)) == K
-        True
-
-    The image of ``K`` under the isomorphism should have full dimension::
-
-        sage: K = random_cone(max_dim=10)
-        sage: (phi, phi_inv) = span_iso(K)
-        sage: phi(K).dim() == phi(K).lattice_dim()
-        True
-
-    """
-    phi_domain = K.sublattice().vector_space()
-    phi_codo = VectorSpace(phi_domain.base_field(), phi_domain.dimension())
-
-    # S goes from the new space to the cone space.
-    S = linear_transformation(phi_codo, phi_domain, phi_domain.basis())
-
-    # phi goes from the cone space to the new space.
-    def phi(J_orig):
-        r"""
-        Takes a cone ``J`` and sends it into the new space.
-        """
-        newrays = map(S.inverse(), J_orig.rays())
-        L = None
-        if len(newrays) == 0:
-            L = ToricLattice(0)
-
-        return Cone(newrays, lattice=L)
-
-    def phi_inverse(J_sub):
-        r"""
-        The inverse to phi which goes from the new space to the cone space.
-        """
-        newrays = map(S, J_sub.rays())
-        return Cone(newrays, lattice=K.lattice())
-
-
-    return (phi, phi_inverse)
-
-
-
-def discrete_complementarity_set(K):
-    r"""
-    Compute the discrete complementarity set of this cone.
-
-    The complementarity set of this cone is the set of all orthogonal
-    pairs `(x,s)` such that `x` is in this cone, and `s` is in its
-    dual. The discrete complementarity set restricts `x` and `s` to be
-    generators of their respective cones.
-
-    OUTPUT:
-
-    A list of pairs `(x,s)` such that,
-
-      * `x` is in this cone.
-      * `x` is a generator of this cone.
-      * `s` is in this cone's dual.
-      * `s` is a generator of this cone's dual.
-      * `x` and `s` are orthogonal.
-
-    EXAMPLES:
-
-    The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
-    of pairs of standard basis vectors::
-
-        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        [((1, 0), (0, 1)), ((0, 1), (1, 0))]
-
-    If the cone consists of a single ray, the second components of the
-    discrete complementarity set should generate the orthogonal
-    complement of that ray::
-
-        sage: K = Cone([(1,0)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        [((1, 0), (0, 1)), ((1, 0), (0, -1))]
-        sage: K = Cone([(1,0,0)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        [((1, 0, 0), (0, 1, 0)),
-          ((1, 0, 0), (0, -1, 0)),
-          ((1, 0, 0), (0, 0, 1)),
-          ((1, 0, 0), (0, 0, -1))]
-
-    When the cone is the entire space, its dual is the trivial cone, so
-    the discrete complementarity set is empty::
-
-        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
-        sage: discrete_complementarity_set(K)
-        []
-
-    TESTS:
-
-    The complementarity set of the dual can be obtained by switching the
-    components of the complementarity set of the original cone::
-
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        sage: K2 = K1.dual()
-        sage: expected = [(x,s) for (s,x) in discrete_complementarity_set(K2)]
-        sage: actual = discrete_complementarity_set(K1)
-        sage: actual == expected
-        True
-
-    """
-    V = K.lattice().vector_space()
-
-    # 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()]
-
-    return [(x,s) for x in xs for s in ss if x.inner_product(s) == 0]
-
-
-def LL(K):
-    r"""
-    Compute the space `\mathbf{LL}` of all Lyapunov-like transformations
-    on this cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    A list of matrices forming a basis for the space of all
-    Lyapunov-like transformations on the given cone.
-
-    EXAMPLES:
-
-    The trivial cone has no Lyapunov-like transformations::
-
-        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: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: LL(K)
-        [
-        [1 0]  [0 0]
-        [0 0], [0 1]
-        ]
-
-        sage: K = Cone([(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)])
-        sage: LL(K)
-        [
-        [1 0 0]  [0 0 0]  [0 0 0]
-        [0 0 0]  [0 1 0]  [0 0 0]
-        [0 0 0], [0 0 0], [0 0 1]
-        ]
-
-    Only the identity matrix is Lyapunov-like on the `L^{3}_{1}` and
-    `L^{3}_{\infty}` cones [Rudolf et al.]_::
-
-        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]
-        ]
-
-    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: K = random_cone(max_dim=8, max_rays=10)
-        sage: C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
-        sage: l = [ (L*x).inner_product(s) for (x,s) in C_of_K for L in LL(K) ]
-        sage: sum(map(abs, l))
-        0
-
-    """
-    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 ]
-
-    # Vector space representation of Lyapunov-like matrices
-    # (i.e. vec(L) where L is Luapunov-like).
-    LL_vector = W.span(vectors).complement()
-
-    # 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() ]
-
-    return matrix_basis
-
-
-
-def lyapunov_rank(K):
-    r"""
-    Compute the Lyapunov (or bilinearity) rank of this cone.
-
-    The Lyapunov rank of a cone can be thought of in (mainly) two ways:
-
-    1. The dimension of the Lie algebra of the automorphism group of the
-       cone.
-
-    2. The dimension of the linear space of all Lyapunov-like
-       transformations on the cone.
-
-    INPUT:
-
-    A closed, convex polyhedral cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    An integer representing the Lyapunov rank of the cone. If the
-    dimension of the ambient vector space is `n`, then the Lyapunov rank
-    will be between `1` and `n` inclusive; however a rank of `n-1` is
-    not possible (see the first reference).
-
-    .. note::
-
-        In the references, the cones are always assumed to be proper. We
-        do not impose this restriction.
-
-    .. seealso::
-
-        :meth:`is_proper`
-
-    ALGORITHM:
-
-    The codimension formula from the second reference is used. We find
-    all pairs `(x,s)` in the complementarity set of `K` such that `x`
-    and `s` are rays of our cone. It is known that these vectors are
-    sufficient to apply the codimension formula. Once we have all such
-    pairs, we "brute force" the codimension formula by finding all
-    linearly-independent `xs^{T}`.
-
-    REFERENCES:
-
-    .. [Gowda/Tao] M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper
-       cone and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
-       (2014) 155-170.
-
-    .. [Orlitzky/Gowda] M. Orlitzky and M. S. Gowda. The Lyapunov Rank of an
-       Improper Cone. Work in-progress.
-
-    .. [Rudolf et al.] G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
-       optimality constraints for the cone of positive polynomials,
-       Mathematical Programming, Series B, 129 (2011) 5-31.
-
-    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 `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
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of 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}`::
-
-        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())
-        True
-
-    TESTS:
-
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones
-    [Rudolf et al.]_::
-
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        sage: K2 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        sage: K = K1.cartesian_product(K2)
-        sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
-        True
-
-    The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself [Rudolf et al.]_::
-
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
-        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: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: b = lyapunov_rank(K)
-        sage: n = K.lattice_dim()
-        sage: (n == 0 or 1 <= b) and b <= n
-        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: K = random_cone(max_dim=10)
-        sage: b = lyapunov_rank(K)
-        sage: n = K.lattice_dim()
-        sage: b == n-1
-        False
-
-    The calculation of the Lyapunov rank of an improper cone can be
-    reduced to that of a proper cone [Orlitzky/Gowda]_::
-
-        sage: K = random_cone(max_dim=15, solid=False, strictly_convex=False)
-        sage: actual = lyapunov_rank(K)
-        sage: (phi1, _) = span_iso(K)
-        sage: K_S = phi1(K)
-        sage: (phi2, _) = span_iso(K_S.dual())
-        sage: J_T = phi2(K_S.dual()).dual()
-        sage: l = K.linear_subspace().dimension()
-        sage: codim = K.lattice_dim() - K.dim()
-        sage: expected = lyapunov_rank(J_T) + K.dim()*(l + codim) + codim**2
-        sage: actual == expected
-        True
-
-    """
-    return len(LL(K))
+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)
+
+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)
+
+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)
+
+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)