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Update max_ambient_dim parameter name for random_cone().
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index e2c43d8e9cf18d2032589b0e4a99e3e39ba76dfc..e40579fa634dc51afc8eaf83ff5b3e68025180b5 100644 (file)
@@ -44,14 +44,14 @@ def _basically_the_same(K1, K2):
 
     Any cone is basically the same as itself::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: _basically_the_same(K, K)
         True
 
     After applying an invertible matrix to the rows of a cone, the
     result should be basically the same as the cone we started with::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: _basically_the_same(K1, K2)
@@ -126,7 +126,7 @@ def _rho(K, K2=None):
     The projected cone should always be solid::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_S.is_solid()
         True
@@ -135,7 +135,7 @@ def _rho(K, K2=None):
     dimension as the space we restricted it to::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: K_S = _rho(K, K.dual() )
         sage: K_S.lattice_dim() == K.dual().dim()
         True
@@ -143,14 +143,14 @@ def _rho(K, K2=None):
     This function should not affect the dimension of a cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: K.dim() == _rho(K).dim()
         True
 
     Nor should it affect the lineality of a cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: K.lineality() == _rho(K).lineality()
         True
 
@@ -158,7 +158,7 @@ def _rho(K, K2=None):
     increase::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: K.lineality() >= _rho(K).lineality()
         True
         sage: K.lineality() >= _rho(K, K.dual()).lineality()
@@ -167,7 +167,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     If we do this according to our paper, then the result is proper::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=False, solid=False)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 strictly_convex=False,
+        ....:                 solid=False)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_SP = _rho(K_S.dual()).dual()
         sage: K_SP.is_proper()
@@ -179,7 +181,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=True, solid=False)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=False)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_SP = _rho(K_S.dual()).dual()
         sage: K_SP.is_proper()
@@ -191,7 +195,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=False, solid=True)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 strictly_convex=False,
+        ....:                 solid=True)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_SP = _rho(K_S.dual()).dual()
         sage: K_SP.is_proper()
@@ -203,7 +209,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim = 8, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_SP = _rho(K_S.dual()).dual()
         sage: K_SP.is_proper()
@@ -217,7 +225,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     it. The operation of dual-taking should then commute with rho::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: J = random_cone(max_dim = 8, solid=False, strictly_convex=False)
+        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 solid=False,
+        ....:                 strictly_convex=False)
         sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
         sage: K_W_star = _rho(K, J).dual()
         sage: K_star_W = _rho(K.dual(), J)
@@ -227,7 +237,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: J = random_cone(max_dim = 8, solid=True, strictly_convex=False)
+        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 solid=True,
+        ....:                 strictly_convex=False)
         sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
         sage: K_W_star = _rho(K, J).dual()
         sage: K_star_W = _rho(K.dual(), J)
@@ -237,7 +249,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: J = random_cone(max_dim = 8, solid=False, strictly_convex=True)
+        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 solid=False,
+        ....:                 strictly_convex=True)
         sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
         sage: K_W_star = _rho(K, J).dual()
         sage: K_star_W = _rho(K.dual(), J)
@@ -247,7 +261,9 @@ def _rho(K, K2=None):
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: J = random_cone(max_dim = 8, solid=True, strictly_convex=True)
+        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8,
+        ....:                 solid=True,
+        ....:                 strictly_convex=True)
         sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
         sage: K_W_star = _rho(K, J).dual()
         sage: K_star_W = _rho(K.dual(), J)
@@ -282,19 +298,29 @@ 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.
+    The complementarity set of a cone is the set of all orthogonal pairs
+    `(x,s)` such that `x` is in the cone, and `s` is in its dual. The
+    discrete complementarity set is a subset of the complementarity set
+    where `x` and `s` are required to be generators of their respective
+    cones.
+
+    For polyhedral cones, the discrete complementarity set is always
+    finite.
 
     OUTPUT:
 
     A list of pairs `(x,s)` such that,
 
+      * Both `x` and `s` are vectors (not rays).
       * `x` is a generator of this cone.
       * `s` is a generator of this cone's dual.
       * `x` and `s` are orthogonal.
 
+    REFERENCES:
+
+    .. [Orlitzky/Gowda] M. Orlitzky and M. S. Gowda. The Lyapunov Rank of an
+       Improper Cone. Work in-progress.
+
     EXAMPLES:
 
     The discrete complementarity set of the nonnegative orthant consists
@@ -325,25 +351,43 @@ def discrete_complementarity_set(K):
         sage: discrete_complementarity_set(K)
         []
 
+    Likewise when this cone is trivial (its dual is the entire space)::
+
+        sage: L = ToricLattice(0)
+        sage: K = Cone([], ToricLattice(0))
+        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: set_random_seed()
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=6)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_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
 
+    The pairs in the discrete complementarity set are in fact
+    complementary::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=6)
+        sage: dcs = discrete_complementarity_set(K)
+        sage: sum([x.inner_product(s).abs() for (x,s) in dcs])
+        0
+
     """
     V = K.lattice().vector_space()
 
-    # Convert the rays to vectors so that we can compute inner
-    # products.
+    # Convert rays to vectors so that we can compute inner products.
     xs = [V(x) for x in K.rays()]
+
+    # We also convert the generators of the dual cone so that we
+    # return pairs of vectors and not (vector, ray) pairs.
     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]
@@ -424,7 +468,7 @@ def LL(K):
     of the cone::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_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))
@@ -436,7 +480,7 @@ def LL(K):
     \right)`
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_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) ]
@@ -622,8 +666,12 @@ def lyapunov_rank(K):
     [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: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
+        sage: K2 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
         sage: K = K1.cartesian_product(K2)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K1) + lyapunov_rank(K2)
         True
@@ -631,7 +679,7 @@ def lyapunov_rank(K):
     The Lyapunov rank is invariant under a linear isomorphism
     [Orlitzky/Gowda]_::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim = 8)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim = 8)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
@@ -639,7 +687,9 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     Just to be sure, test a few more::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=True)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
@@ -647,7 +697,9 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     ::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=False)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=True,
+        ....:                  solid=False)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
@@ -655,7 +707,9 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     ::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=True)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=False,
+        ....:                  solid=True)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
@@ -663,7 +717,9 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     ::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=False)
+        sage: K1 = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                  strictly_convex=False,
+        ....:                  solid=False)
         sage: A = random_matrix(QQ, K1.lattice_dim(), algorithm='unimodular')
         sage: K2 = Cone( [ A*r for r in K1.rays() ], lattice=K1.lattice())
         sage: lyapunov_rank(K1) == lyapunov_rank(K2)
@@ -673,35 +729,43 @@ def lyapunov_rank(K):
     itself [Rudolf et al.]_::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_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: K = random_cone(max_ambient_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::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=False, solid=True)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=False,
+        ....:                 solid=True)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
         True
 
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=False)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=False)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
         True
 
     ::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
         True
 
@@ -712,7 +776,9 @@ def lyapunov_rank(K):
     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: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
         sage: b = lyapunov_rank(K)
         sage: n = K.lattice_dim()
         sage: (n == 0 or 1 <= b) and b <= n
@@ -724,7 +790,7 @@ def lyapunov_rank(K):
     Lyapunov rank `n-1` in `n` dimensions::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
         sage: b = lyapunov_rank(K)
         sage: n = K.lattice_dim()
         sage: b == n-1
@@ -734,7 +800,7 @@ def lyapunov_rank(K):
     reduced to that of a proper cone [Orlitzky/Gowda]_::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
         sage: actual = lyapunov_rank(K)
         sage: K_S = _rho(K)
         sage: K_SP = _rho(K_S.dual()).dual()
@@ -747,7 +813,9 @@ def lyapunov_rank(K):
     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: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
         sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
         True
 
@@ -755,28 +823,36 @@ def lyapunov_rank(K):
     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: K = random_cone(max_ambient_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: K = random_cone(max_ambient_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: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=False,
+        ....:                 solid=False)
         sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
         True
 
     Test Theorem 3 in [Orlitzky/Gowda]_::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: K = random_cone(max_dim=8, strictly_convex=True, solid=True)
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8,
+        ....:                 strictly_convex=True,
+        ....:                 solid=True)
         sage: L = ToricLattice(K.lattice_dim() + 1)
         sage: K = Cone([ r.list() + [0] for r in K.rays() ], lattice=L)
         sage: lyapunov_rank(K) >= K.lattice_dim()