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[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index d33a1c5bc317bf7a627f964ca11b78c45045b08a..b7456e21abc170d6479f9010a2b7ccdd5ab9438d 100644 (file)
 from sage.all import *
 
-def is_lyapunov_like(L,K):
-    r"""
-    Determine whether or not ``L`` is Lyapunov-like on ``K``.
-
-    We say that ``L`` is Lyapunov-like on ``K`` if `\left\langle
-    L\left\lparenx\right\rparen,s\right\rangle = 0` for all pairs
-    `\left\langle x,s \right\rangle` in the complementarity set of
-    ``K``. It is known [Orlitzky]_ that this property need only be
-    checked for generators of ``K`` and its dual.
-
-    INPUT:
-
-    - ``L`` -- A linear transformation or matrix.
-
-    - ``K`` -- A polyhedral closed convex cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    ``True`` if it can be proven that ``L`` is Lyapunov-like on ``K``,
-    and ``False`` otherwise.
-
-    .. WARNING::
-
-        If this function returns ``True``, then ``L`` is Lyapunov-like
-        on ``K``. However, if ``False`` is returned, that could mean one
-        of two things. The first is that ``L`` is definitely not
-        Lyapunov-like on ``K``. The second is more of an "I don't know"
-        answer, returned (for example) if we cannot prove that an inner
-        product is zero.
-
-    REFERENCES:
-
-    M. Orlitzky. The Lyapunov rank of an improper cone.
-    http://www.optimization-online.org/DB_HTML/2015/10/5135.html
-
-    EXAMPLES:
-
-    The identity is always Lyapunov-like in a nontrivial space::
-
-        sage: set_random_seed()
-        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_ambient_dim=8)
-        sage: R = K.lattice().vector_space().base_ring()
-        sage: L = zero_matrix(R, K.lattice_dim())
-        sage: is_lyapunov_like(L,K)
-        True
-
-        Everything in ``K.lyapunov_like_basis()`` should be Lyapunov-like
-        on ``K``::
-
-        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
-
-    """
-    return all([(L*x).inner_product(s) == 0
-                for (x,s) in K.discrete_complementarity_set()])
-
-
-def motzkin_decomposition(K):
-    r"""
-    Return the pair of components in the Motzkin decomposition of this cone.
-
-    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``.
-
-    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:
-
-    .. [Stoer-Witzgall] J. Stoer and C. Witzgall. Convexity and
-       Optimization in Finite Dimensions I. Springer-Verlag, New
-       York, 1970.
-
-    EXAMPLES:
-
-    The nonnegative orthant is strictly convex, so it is its own
-    strictly convex component and its subspace component is trivial::
-
-        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:
-
-    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_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
-    """
-    # 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)
-
-    return (P,S)
-
-
-def positive_operator_gens(K):
-    r"""
-    Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    A list of `n`-by-``n`` matrices where ``n == K.lattice_dim()``.
-    Each matrix ``P`` in the list should have the property that ``P*x``
-    is an element of ``K`` whenever ``x`` is an element of
-    ``K``. Moreover, any nonnegative linear combination of these
-    matrices shares the same property.
-
-    EXAMPLES:
-
-    The trivial cone in a trivial space has no positive operators::
-
-        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: positive_operator_gens(K)
-        []
-
-    Positive operators on the nonnegative orthant are nonnegative matrices::
-
-        sage: K = Cone([(1,)])
-        sage: positive_operator_gens(K)
-        [[1]]
-
-        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: positive_operator_gens(K)
-        [
-        [1 0]  [0 1]  [0 0]  [0 0]
-        [0 0], [0 0], [1 0], [0 1]
-        ]
-
-    Every operator is positive on the ambient vector space::
-
-        sage: K = Cone([(1,),(-1,)])
-        sage: K.is_full_space()
-        True
-        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_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]
-        ]
-
-    TESTS:
-
-    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: 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
-    """
-    # 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() ]
-
-    # 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..
-    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(F, n)
-    return [ M(v.list()) for v in pi_cone.rays() ]
-
-
-def Z_transformation_gens(K):
-    r"""
-    Compute generators of the cone of Z-transformations on this cone.
-
-    OUTPUT:
-
-    A list of `n`-by-``n`` matrices where ``n == K.lattice_dim()``.
-    Each matrix ``L`` in the list should have the property that
-    ``(L*x).inner_product(s) <= 0`` whenever ``(x,s)`` is an element the
-    discrete complementarity set of ``K``. Moreover, any nonnegative
-    linear combination of these matrices shares the same property.
-
-    EXAMPLES:
-
-    Z-transformations on the nonnegative orthant are just Z-matrices.
-    That is, matrices whose off-diagonal elements are nonnegative::
-
-        sage: K = Cone([(1,0),(0,1)])
-        sage: Z_transformation_gens(K)
-        [
-        [ 0 -1]  [ 0  0]  [-1  0]  [1 0]  [ 0  0]  [0 0]
-        [ 0  0], [-1  0], [ 0  0], [0 0], [ 0 -1], [0 1]
-        ]
-        sage: K = Cone([(1,0,0,0),(0,1,0,0),(0,0,1,0),(0,0,0,1)])
-        sage: all([ z[i][j] <= 0 for z in Z_transformation_gens(K)
-        ....:                    for i in range(z.nrows())
-        ....:                    for j in range(z.ncols())
-        ....:                    if i != j ])
-        True
-
-    The trivial cone in a trivial space has no Z-transformations::
-
-        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: Z_transformation_gens(K)
-        []
-
-    Z-transformations on a subspace are Lyapunov-like and vice-versa::
-
-        sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
-        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_transformation_gens(K) ])
-        sage: zs == lls
-        True
-
-    TESTS:
-
-    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_transformation_gens(K)
-        sage: dcs = K.discrete_complementarity_set()
-        sage: all([(z*x).inner_product(s) <= 0 for z in Z_of_K
-        ....:                                  for (x,s) in dcs])
-        True
-
-    The lineality space of Z is LL::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(min_ambient_dim=1, max_ambient_dim=6)
-        sage: lls = span([ vector(l.list()) for l in K.lyapunov_like_basis() ])
-        sage: z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_transformation_gens(K) ])
-        sage: z_cone.linear_subspace() == lls
-        True
-
-    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
-    """
-    # 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..
-    Sigma_dual = Cone(vectors, lattice=ToricLattice(W.dimension()))
-
-    # Now compute the desired cone from its dual...
-    Sigma_cone = Sigma_dual.dual()
-
-    # And finally convert its rays back to matrix representations.
-    # But first, make them negative, so we get Z-transformations and
-    # not cross-positive ones.
-    M = MatrixSpace(F, n)
-    return [ -M(v.list()) for v in Sigma_cone.rays() ]
+def 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 = 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)
+    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)