]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/cone.py
Add a test for my construction of LL(pi(K,H)).
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index dd28f2f19b1da381bd61c043809a1a4b016ac777..c71a24cbee0c9d0857fd3c8d8fe2ecbb0042238c 100644 (file)
@@ -10,6 +10,12 @@ def is_lyapunov_like(L,K):
     ``K``. It is known [Orlitzky]_ that this property need only be
     checked for generators of ``K`` and its dual.
 
+    There are faster ways of checking this property. For example, we
+    could compute a `lyapunov_like_basis` of the cone, and then test
+    whether or not the given matrix is contained in the span of that
+    basis. The value of this function is that it works on symbolic
+    matrices.
+
     INPUT:
 
     - ``L`` -- A linear transformation or matrix.
@@ -65,17 +71,37 @@ def is_lyapunov_like(L,K):
                 for (x,s) in K.discrete_complementarity_set()])
 
 
-def positive_operator_gens(K):
+def positive_operator_gens(K1, K2 = None):
     r"""
-    Compute generators of the cone of positive operators on this cone.
+    Compute generators of the cone of positive operators on this cone. A
+    linear operator on a cone is positive if the image of the cone under
+    the operator is a subset of the cone. This concept can be extended
+    to two cones, where the image of the first cone under a positive
+    operator is a subset of the second cone.
+
+    INPUT:
+
+    - ``K2`` -- (default: ``K1``) the codomain cone; the image of this
+                cone under the returned operators is a subset of ``K2``.
 
     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.
+    A list of `m`-by-``n`` matrices where ``m == K2.lattice_dim()`` and
+    ``n == K1.lattice_dim()``. Each matrix ``P`` in the list should have
+    the property that ``P*x`` is an element of ``K2`` whenever ``x`` is
+    an element of ``K1``. Moreover, any nonnegative linear combination of
+    these matrices shares the same property.
+
+    REFERENCES:
+
+    .. [Orlitzky-Pi-Z]
+       M. Orlitzky.
+       Positive and Z-operators on closed convex cones.
+
+    .. [Tam]
+       B.-S. Tam.
+       Some results of polyhedral cones and simplicial cones.
+       Linear and Multilinear Algebra, 4:4 (1977) 281--284.
 
     EXAMPLES:
 
@@ -142,50 +168,58 @@ def positive_operator_gens(K):
 
     TESTS:
 
-    Each positive operator generator should send the generators of the
-    cone into the cone::
+    Each positive operator generator should send the generators of one
+    cone into the other cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
-        sage: all([ K.contains(P*x) for P in pi_of_K for x in K ])
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: all([ K2.contains(P*x) for P in pi_K1_K2 for x in K1 ])
         True
 
-    Each positive operator generator should send a random element of the
-    cone into the cone::
+    Each positive operator generator should send a random element of one
+    cone into the other cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
-        sage: all([ K.contains(P*K.random_element(QQ)) for P in pi_of_K ])
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: all([ K2.contains(P*K1.random_element(QQ)) for P in pi_K1_K2 ])
         True
 
     A random element of the positive operator cone should send the
-    generators of the cone into the cone::
+    generators of one cone into the other cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        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 ],
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: L = ToricLattice(K1.lattice_dim() * K2.lattice_dim())
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_K1_K2 ],
         ....:                lattice=L,
         ....:                check=False)
-        sage: P = matrix(K.lattice_dim(), pi_cone.random_element(QQ).list())
-        sage: all([ K.contains(P*x) for x in K ])
+        sage: P = matrix(K2.lattice_dim(),
+        ....:            K1.lattice_dim(),
+        ....:            pi_cone.random_element(QQ).list())
+        sage: all([ K2.contains(P*x) for x in K1 ])
         True
 
     A random element of the positive operator cone should send a random
-    element of the cone into the cone::
+    element of one cone into the other cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        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 ],
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: L = ToricLattice(K1.lattice_dim() * K2.lattice_dim())
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_K1_K2 ],
         ....:                lattice=L,
         ....:                check=False)
-        sage: P = matrix(K.lattice_dim(), pi_cone.random_element(QQ).list())
-        sage: K.contains(P*K.random_element(ring=QQ))
+        sage: P = matrix(K2.lattice_dim(),
+        ....:            K1.lattice_dim(),
+        ....:            pi_cone.random_element(QQ).list())
+        sage: K2.contains(P*K1.random_element(ring=QQ))
         True
 
     The lineality space of the dual of the cone of positive operators
@@ -379,28 +413,80 @@ def positive_operator_gens(K):
         sage: L_star = W(M(L.list()).transpose().list())
         sage: pi_cone.contains(L) ==  pi_star.contains(L_star)
         True
+
+    The Lyapunov rank of the positive operator cone is the product of
+    the Lyapunov ranks of the associated cones if they're all proper::
+
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: L = ToricLattice(K1.lattice_dim() * K2.lattice_dim())
+        sage: pi_cone = Cone([ g.list() for g in pi_K1_K2 ],
+        ....:                lattice=L,
+        ....:                check=False)
+        sage: beta1 = K1.lyapunov_rank()
+        sage: beta2 = K2.lyapunov_rank()
+        sage: pi_cone.lyapunov_rank() == beta1*beta2
+        True
+
+    The Lyapunov-like operators on a proper polyhedral positive operator
+    cone can be computed from the Lyapunov-like operators on the cones
+    with respect to which the operators are positive::
+
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=4,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=4,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
+        sage: pi_K1_K2 = positive_operator_gens(K1,K2)
+        sage: F = K1.lattice().base_field()
+        sage: m = K1.lattice_dim()
+        sage: n = K2.lattice_dim()
+        sage: L = ToricLattice(m*n)
+        sage: M1 = MatrixSpace(F, m, m)
+        sage: M2 = MatrixSpace(F, n, n)
+        sage: LL_K1 = [ M1(x.list()) for x in K1.dual().lyapunov_like_basis() ]
+        sage: LL_K2 = [ M2(x.list()) for x in K2.lyapunov_like_basis() ]
+        sage: tps = [ s.tensor_product(x) for x in LL_K1 for s in LL_K2 ]
+        sage: W = VectorSpace(F, (m**2)*(n**2))
+        sage: expected = span(F, [ W(x.list()) for x in tps ])
+        sage: pi_cone = Cone([p.list() for p in pi_K1_K2],
+        ....:                 lattice=L,
+        ....:                 check=False)
+        sage: LL_pi = pi_cone.lyapunov_like_basis()
+        sage: actual = span(F, [ W(x.list()) for x in LL_pi ])
+        sage: actual == expected
+        True
+
     """
+    if K2 is None:
+        K2 = K1
+
     # 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()
+    F = K1.lattice().base_field()
+    n = K1.lattice_dim()
+    m = K2.lattice_dim()
 
-    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for x in K for s in K.dual() ]
+    tensor_products = [ s.tensor_product(x) for x in K1 for s in K2.dual() ]
 
     # Convert those tensor products to long vectors.
-    W = VectorSpace(F, n**2)
+    W = VectorSpace(F, n*m)
     vectors = [ W(tp.list()) for tp in tensor_products ]
 
     check = True
-    if K.is_solid() or K.is_strictly_convex():
-        # The lineality space of either ``K`` or ``K.dual()`` is
-        # trivial and it's easy to show that our generating set is
-        # minimal. I would love a proof that this works when ``K`` is
-        # neither pointed nor solid.
-        #
-        # Note that in that case we can get *duplicates*, since the
-        # tensor product of (x,s) is the same as that of (-x,-s).
+    if K1.is_proper() and K2.is_proper():
+        # All of the generators involved are extreme vectors and
+        # therefore minimal [Tam]_. If this cone is neither solid nor
+        # strictly convex, then the tensor product of ``s`` and ``x``
+        # is the same as that of ``-s`` and ``-x``. However, as a
+        # /set/, ``tensor_products`` may still be minimal.
         check = False
 
     # Create the dual cone of the positive operators, expressed as
@@ -411,102 +497,108 @@ def positive_operator_gens(K):
     pi_cone = pi_dual.dual()
 
     # And finally convert its rays back to matrix representations.
-    M = MatrixSpace(F, n)
+    M = MatrixSpace(F, m, n)
     return [ M(v.list()) for v in pi_cone ]
 
 
-def Z_transformation_gens(K):
+def Z_operator_gens(K):
     r"""
-    Compute generators of the cone of Z-transformations on this cone.
+    Compute generators of the cone of Z-operators 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.
+    ``(L*x).inner_product(s) <= 0`` whenever ``(x,s)`` is an element of
+    this cone's :meth:`discrete_complementarity_set`. Moreover, any
+    conic (nonnegative linear) combination of these matrices shares the
+    same property.
+
+    REFERENCES:
+
+    M. Orlitzky.
+    Positive and Z-operators on closed convex cones.
 
     EXAMPLES:
 
-    Z-transformations on the nonnegative orthant are just Z-matrices.
+    Z-operators 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)
+        sage: Z_operator_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)
+        sage: all([ z[i][j] <= 0 for z in Z_operator_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::
+    The trivial cone in a trivial space has no Z-operators::
 
         sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
-        sage: Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_operator_gens(K)
         []
 
-    Every operator is a Z-transformation on the ambient vector space::
+    Every operator is a Z-operator on the ambient vector space::
 
         sage: K = Cone([(1,),(-1,)])
         sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_operator_gens(K)
         [[-1], [1]]
 
         sage: K = Cone([(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)])
         sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_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 Z-transformations on the
+    A non-obvious application is to find the Z-operators on the
     right half-plane::
 
         sage: K = Cone([(1,0),(0,1),(0,-1)])
-        sage: Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_operator_gens(K)
         [
         [-1  0]  [1 0]  [ 0  0]  [0 0]  [ 0  0]  [0 0]
         [ 0  0], [0 0], [-1  0], [1 0], [ 0 -1], [0 1]
         ]
 
-    Z-transformations on a subspace are Lyapunov-like and vice-versa::
+    Z-operators 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  = span([ vector(z.list()) for z in Z_operator_gens(K) ])
         sage: zs == lls
         True
 
     TESTS:
 
-    The Z-property is possessed by every Z-transformation::
+    The Z-property is possessed by every Z-operator::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_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 the cone of Z-transformations is the space of
-    Lyapunov-like transformations::
+    The lineality space of the cone of Z-operators is the space of
+    Lyapunov-like operators::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
         sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
-        sage: Z_cone = Cone([ z.list() for z in Z_transformation_gens(K) ],
+        sage: Z_cone = Cone([ z.list() for z in Z_operator_gens(K) ],
         ....:               lattice=L,
         ....:               check=False)
         sage: ll_basis = [ vector(l.list()) for l in K.lyapunov_like_basis() ]
@@ -514,12 +606,12 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: Z_cone.linear_subspace() == lls
         True
 
-    The lineality of the Z-transformations on a cone is the Lyapunov
+    The lineality of the Z-operators on a cone is the Lyapunov
     rank of that cone::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
         sage: Z_cone  = Cone([ z.list() for z in Z_of_K ],
         ....:                lattice=L,
@@ -527,15 +619,14 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: Z_cone.lineality() == K.lyapunov_rank()
         True
 
-    The lineality spaces of the duals of the positive operator and
-    Z-transformation cones are equal. From this it follows that the
-    dimensions of the Z-transformation cone and positive operator cone
-    are equal::
+    The lineality spaces of the duals of the positive and Z-operator
+    cones are equal. From this it follows that the dimensions of the
+    Z-operator cone and positive operator cone are equal::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
         sage: pi_of_K = positive_operator_gens(K)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
         sage: pi_cone = Cone([p.list() for p in pi_of_K],
         ....:                lattice=L,
@@ -558,7 +649,7 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: K.is_trivial()
         True
         sage: L = ToricLattice(n^2)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: Z_cone = Cone([z.list() for z in Z_of_K],
         ....:               lattice=L,
         ....:               check=False)
@@ -568,7 +659,7 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: K = K.dual()
         sage: K.is_full_space()
         True
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: Z_cone = Cone([z.list() for z in Z_of_K],
         ....:                lattice=L,
         ....:                check=False)
@@ -576,32 +667,31 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: actual == n^2
         True
         sage: K = Cone([(1,0),(0,1),(0,-1)])
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: Z_cone = Cone([z.list() for z in Z_of_K], check=False)
         sage: Z_cone.dim() == 3
         True
 
-    The Z-transformations of a permuted cone can be obtained by
-    conjugation::
+    The Z-operators of a permuted cone can be obtained by conjugation::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
         sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
         sage: p = SymmetricGroup(K.lattice_dim()).random_element().matrix()
         sage: pK = Cone([ p*k for k in K ], K.lattice(), check=False)
-        sage: Z_of_pK = Z_transformation_gens(pK)
+        sage: Z_of_pK = Z_operator_gens(pK)
         sage: actual = Cone([t.list() for t in Z_of_pK],
         ....:                lattice=L,
         ....:                check=False)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
         sage: expected = Cone([(p*t*p.inverse()).list() for t in Z_of_K],
         ....:                   lattice=L,
         ....:                   check=False)
         sage: actual.is_equivalent(expected)
         True
 
-    A transformation is a Z-transformation on a cone if and only if its
-    adjoint is a Z-transformation on the dual of that cone::
+    An operator is a Z-operator on a cone if and only if its
+    adjoint is a Z-operator on the dual of that cone::
 
         sage: set_random_seed()
         sage: K = random_cone(max_ambient_dim=4)
@@ -609,8 +699,8 @@ def Z_transformation_gens(K):
         sage: n = K.lattice_dim()
         sage: L = ToricLattice(n**2)
         sage: W = VectorSpace(F, n**2)
-        sage: Z_of_K = Z_transformation_gens(K)
-        sage: Z_of_K_star = Z_transformation_gens(K.dual())
+        sage: Z_of_K = Z_operator_gens(K)
+        sage: Z_of_K_star = Z_operator_gens(K.dual())
         sage: Z_cone = Cone([p.list() for p in Z_of_K],
         ....:               lattice=L,
         ....:               check=False)
@@ -634,7 +724,7 @@ def Z_transformation_gens(K):
     n = K.lattice_dim()
 
     # These tensor products contain generators for the dual cone of
-    # the cross-positive transformations.
+    # the cross-positive operators.
     tensor_products = [ s.tensor_product(x)
                         for (x,s) in K.discrete_complementarity_set() ]
 
@@ -643,14 +733,12 @@ def Z_transformation_gens(K):
     vectors = [ W(m.list()) for m in tensor_products ]
 
     check = True
-    if K.is_solid() or K.is_strictly_convex():
-        # The lineality space of either ``K`` or ``K.dual()`` is
-        # trivial and it's easy to show that our generating set is
-        # minimal. I would love a proof that this works when ``K`` is
-        # neither pointed nor solid.
-        #
-        # Note that in that case we can get *duplicates*, since the
-        # tensor product of (x,s) is the same as that of (-x,-s).
+    if K.is_proper():
+        # All of the generators involved are extreme vectors and
+        # therefore minimal. If this cone is neither solid nor
+        # strictly convex, then the tensor product of ``s`` and ``x``
+        # is the same as that of ``-s`` and ``-x``. However, as a
+        # /set/, ``tensor_products`` may still be minimal.
         check = False
 
     # Create the dual cone of the cross-positive operators,
@@ -661,14 +749,19 @@ def Z_transformation_gens(K):
     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
+    # But first, make them negative, so we get Z-operators and
     # not cross-positive ones.
     M = MatrixSpace(F, n)
     return [ -M(v.list()) for v in Sigma_cone ]
 
 
+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 Z_cone(K):
-    gens = Z_transformation_gens(K)
+    gens = Z_operator_gens(K)
     L = ToricLattice(K.lattice_dim()**2)
     return Cone([ g.list() for g in gens ], lattice=L, check=False)