]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/cone.py
Add the is_lyapunov_like() function to the cone.cone module.
[sage.d.git] / mjo / cone / cone.py
index 132c6d9e8e63ebbc5e0065becd813f341e993dd0..f3543a147ad8da3c5000015f3c53e837781180e5 100644 (file)
@@ -7,219 +7,236 @@ addsitedir(abspath('../../'))
 
 from sage.all import *
 
-# TODO: This test fails, maybe due to a bug in the existing cone code.
-#     If we request enough generators to span the space, then the returned
-#     cone should equal the ambient space::
-#
-#        sage: K = random_cone(min_dim=5, max_dim=5, min_rays=10, max_rays=10)
-#        sage: K.lines().dimension() == K.lattice_dim()
-#        True
-
-def random_cone(min_dim=0, max_dim=None, min_rays=0, max_rays=None):
+
+def _basically_the_same(K1, K2):
     r"""
-    Generate a random rational convex polyhedral cone.
+    Test whether or not ``K1`` and ``K2`` are "basically the same."
 
-    Lower and upper bounds may be provided for both the dimension of the
-    ambient space and the number of generating rays of the cone. If a
-    lower bound is left unspecified, it defaults to zero. Unspecified
-    upper bounds will be chosen randomly.
+    This is a hack to get around the fact that it's difficult to tell
+    when two cones are linearly isomorphic. We have a proposition that
+    equates two cones, but represented over `\mathbb{Q}`, they are
+    merely linearly isomorphic (not equal). So rather than test for
+    equality, we test a list of properties that should be preserved
+    under an invertible linear transformation.
 
-    The number of generating rays is naturally limited to twice the
-    dimension of the ambient space. Take for example $\mathbb{R}^{2}$.
-    You could have the generators $\left\{ \pm e_{1}, \pm e_{2}
-    \right\}$, with cardinality $4 = 2 \cdot 2$; however any other ray
-    in the space is a nonnegative linear combination of those four.
+    OUTPUT:
 
-    .. NOTE:
+    ``True`` if ``K1`` and ``K2`` are basically the same, and ``False``
+    otherwise.
 
-        If you do not explicitly request more than ``2 * max_dim`` rays,
-        a larger number may still be randomly generated. In that case,
-        the returned cone will simply be equal to the entire space.
+    EXAMPLES:
 
-    INPUT:
+    Any proper cone with three generators in `\mathbb{R}^{3}` is
+    basically the same as the nonnegative orthant::
 
-    - ``min_dim`` (default: zero) -- A nonnegative integer representing the
-                                     minimum dimension of the ambient lattice.
+        sage: K1 = Cone([(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1)])
+        sage: K2 = Cone([(1,2,3), (3, 18, 4), (66, 51, 0)])
+        sage: _basically_the_same(K1, K2)
+        True
 
-    - ``max_dim`` (default: random) -- A nonnegative integer representing
-                                       the maximum dimension of the ambient
-                                       lattice.
+    Negating a cone gives you another cone that is basically the same::
 
-    - ``min_rays`` (default: zero) -- A nonnegative integer representing the
-                                      minimum number of generating rays of the
-                                      cone.
+        sage: K = Cone([(0,2,-5), (-6, 2, 4), (0, 51, 0)])
+        sage: _basically_the_same(K, -K)
+        True
 
-    - ``max_rays`` (default: random) -- A nonnegative integer representing the
-                                        maximum number of generating rays of
-                                        the cone.
+    TESTS:
 
-    OUTPUT:
+    Any cone is basically the same as itself::
 
-    A new, randomly generated cone.
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: _basically_the_same(K, K)
+        True
 
-    A ``ValueError` will be thrown under the following conditions:
+    After applying an invertible matrix to the rows of a cone, the
+    result should be basically the same as the cone we started with::
 
-      * Any of ``min_dim``, ``max_dim``, ``min_rays``, or ``max_rays``
-        are negative.
+        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)
+        True
 
-      * ``max_dim`` is less than ``min_dim``.
+    """
+    if K1.lattice_dim() != K2.lattice_dim():
+        return False
 
-      * ``max_rays`` is less than ``min_rays``.
+    if K1.nrays() != K2.nrays():
+        return False
 
-      * ``min_rays`` is greater than twice ``max_dim``.
+    if K1.dim() != K2.dim():
+        return False
 
-    EXAMPLES:
+    if K1.lineality() != K2.lineality():
+        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 we set the lower/upper bounds to zero, then our result is
-    predictable::
+    if len(K1.facets()) != len(K2.facets()):
+        return False
 
-        sage: random_cone(0,0,0,0)
-        0-d cone in 0-d lattice N
+    return True
 
-    We can predict the dimension when ``min_dim == max_dim``::
 
-        sage: random_cone(min_dim=4, max_dim=4, min_rays=0, max_rays=0)
-        0-d cone in 4-d lattice N
 
-    Likewise for the number of rays when ``min_rays == max_rays``::
+def _restrict_to_space(K, W):
+    r"""
+    Restrict this cone a subspace of its ambient space.
+
+    INPUT:
 
-        sage: random_cone(min_dim=10, max_dim=10, min_rays=10, max_rays=10)
-        10-d cone in 10-d lattice N
+    - ``W`` -- The subspace into which this cone will be restricted.
+
+    OUTPUT:
+
+    A new cone in a sublattice corresponding to ``W``.
+
+    EXAMPLES:
+
+    When this cone is solid, restricting it into its own span should do
+    nothing::
+
+        sage: K = Cone([(1,)])
+        sage: _restrict_to_space(K, K.span()) == K
+        True
+
+    A single ray restricted into its own span gives the same output
+    regardless of the ambient space::
+
+        sage: K2 = Cone([(1,0)])
+        sage: K2_S = _restrict_to_space(K2, K2.span()).rays()
+        sage: K2_S
+        N(1)
+        in 1-d lattice N
+        sage: K3 = Cone([(1,0,0)])
+        sage: K3_S = _restrict_to_space(K3, K3.span()).rays()
+        sage: K3_S
+        N(1)
+        in 1-d lattice N
+        sage: K2_S == K3_S
+        True
 
     TESTS:
 
-    It's hard to test the output of a random process, but we can at
-    least make sure that we get a cone back::
+    The projected cone should always be solid::
 
-        sage: from sage.geometry.cone import is_Cone # long time
-        sage: K = random_cone() # long time
-        sage: is_Cone(K)        # long time
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: _restrict_to_space(K, K.span()).is_solid()
         True
 
-    The upper/lower bounds are respected::
+    And the resulting cone should live in a space having the same
+    dimension as the space we restricted it to::
 
-        sage: K = random_cone(min_dim=5, max_dim=10, min_rays=3, max_rays=4)
-        sage: 5 <= K.lattice_dim() and K.lattice_dim() <= 10
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K_P = _restrict_to_space(K, K.dual().span())
+        sage: K_P.lattice_dim() == K.dual().dim()
         True
-        sage: 3 <= K.nrays() and K.nrays() <= 4
+
+    This function should not affect the dimension of a cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K.dim() == _restrict_to_space(K,K.span()).dim()
         True
 
-    Ensure that an exception is raised when either lower bound is greater
-    than its respective upper bound::
+    Nor should it affect the lineality of a cone::
 
-        sage: random_cone(min_dim=5, max_dim=2)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: max_dim cannot be less than min_dim.
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K.lineality() == _restrict_to_space(K, K.span()).lineality()
+        True
 
-        sage: random_cone(min_rays=5, max_rays=2)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: max_rays cannot be less than min_rays.
+    No matter which space we restrict to, the lineality should not
+    increase::
 
-    And if we request too many rays::
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: S = K.span(); P = K.dual().span()
+        sage: K.lineality() >= _restrict_to_space(K,S).lineality()
+        True
+        sage: K.lineality() >= _restrict_to_space(K,P).lineality()
+        True
 
-        sage: random_cone(min_rays=5, max_dim=1)
-        Traceback (most recent call last):
-        ...
-        ValueError: min_rays cannot be larger than twice max_dim.
+    If we do this according to our paper, then the result is proper::
 
-    """
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K_S = _restrict_to_space(K, K.span())
+        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S.dual(), K_S.dual().span()).dual()
+        sage: K_SP.is_proper()
+        True
+        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S, K_S.dual().span())
+        sage: K_SP.is_proper()
+        True
 
-    # Catch obvious mistakes so that we can generate clear error
-    # messages.
-
-    if min_dim < 0:
-        raise ValueError('min_dim must be nonnegative.')
-
-    if min_rays < 0:
-        raise ValueError('min_rays must be nonnegative.')
-
-    if max_dim is not None:
-        if max_dim < 0:
-            raise ValueError('max_dim must be nonnegative.')
-        if (max_dim < min_dim):
-            raise ValueError('max_dim cannot be less than min_dim.')
-        if min_rays > 2*max_dim:
-            raise ValueError('min_rays cannot be larger than twice max_dim.')
-
-    if max_rays is not None:
-        if max_rays < 0:
-            raise ValueError('max_rays must be nonnegative.')
-        if (max_rays < min_rays):
-            raise ValueError('max_rays cannot be less than min_rays.')
-
-
-    def random_min_max(l,u):
-        r"""
-        We need to handle two cases for the upper bounds, and we need to do
-        the same thing for max_dim/max_rays. So we consolidate the logic here.
-        """
-        if u is None:
-            # The upper bound is unspecified; return a random integer
-            # in [l,infinity).
-            return l + ZZ.random_element().abs()
-        else:
-            # We have an upper bound, and it's greater than or equal
-            # to our lower bound. So we generate a random integer in
-            # [0,u-l], and then add it to l to get something in
-            # [l,u]. To understand the "+1", check the
-            # ZZ.random_element() docs.
-            return l + ZZ.random_element(u - l + 1)
-
-
-    d = random_min_max(min_dim, max_dim)
-    r = random_min_max(min_rays, max_rays)
-
-    L = ToricLattice(d)
-
-    # The rays are trickier to generate, since we could generate v and
-    # 2*v as our "two rays." In that case, the resuting cone would
-    # have one generating ray. To avoid such a situation, we start by
-    # generating ``r`` rays where ``r`` is the number we want to end
-    # up with.
-    #
-    # However, since we're going to *check* whether or not we actually
-    # have ``r``, we need ``r`` rays to be attainable. So we need to
-    # limit ``r`` to twice the dimension of the ambient space.
-    #
-    r = min(r, 2*d)
-    rays = [L.random_element() for i in range(0, r)]
+    Test the proposition in our paper concerning the duals and
+    restrictions. Generate a random cone, then create a subcone of
+    it. The operation of dual-taking should then commute with
+    _restrict_to_space::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: J = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K = Cone(random_sublist(J.rays(), 0.5), lattice=J.lattice())
+        sage: K_W_star = _restrict_to_space(K, J.span()).dual()
+        sage: K_star_W = _restrict_to_space(K.dual(), J.span())
+        sage: _basically_the_same(K_W_star, K_star_W)
+        True
 
-    # (The lattice parameter is required when no rays are given, so we
-    # pass it just in case ``r == 0``).
-    K = Cone(rays, lattice=L)
+    """
+    # First we want to intersect ``K`` with ``W``. The easiest way to
+    # do this is via cone intersection, so we turn the subspace ``W``
+    # into a cone.
+    W_cone = Cone(W.basis() + [-b for b in W.basis()], lattice=K.lattice())
+    K = K.intersection(W_cone)
 
-    # Now if we generated two of the "same" rays, we'll have fewer
-    # generating rays than ``r``. In that case, we keep making up new
-    # rays and recreating the cone until we get the right number of
-    # independent generators.
-    while r > K.nrays():
-        rays.append(L.random_element())
-        K = Cone(rays)
+    # We've already intersected K with the span of K2, so every
+    # generator of K should belong to W now.
+    K_W_rays = [ W.coordinate_vector(r) for r in K.rays() ]
+
+    L = ToricLattice(W.dimension())
+    return Cone(K_W_rays, lattice=L)
 
-    return K
 
 
 def discrete_complementarity_set(K):
     r"""
-    Compute the discrete complementarity set of this cone.
+    Compute a 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.
+    A discrete complementarity set of `K` is the set of all orthogonal
+    pairs `(x,s)` such that `x \in G_{1}` and `s \in G_{2}` for some
+    generating sets `G_{1}` of `K` and `G_{2}` of its dual. Polyhedral
+    convex cones are input in terms of their generators, so "the" (this
+    particular) discrete complementarity set corresponds to ``G1
+    == K.rays()`` and ``G2 == K.dual().rays()``.
 
     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.
+      * Both `x` and `s` are vectors (not rays).
+      * `x` is one of ``K.rays()``.
+      * `s` is one of ``K.dual().rays()``.
       * `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
@@ -250,32 +267,180 @@ 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: K1 = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: set_random_seed()
+        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: actual == expected
+        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]
 
 
+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]
+        ]
+
+    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)
+        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_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))
+        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)`
+
+        sage: set_random_seed()
+        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) ]
+        sage: LL2_vecs = [ V(m.list()) for m in LL2   ]
+        sage: V.span(LL1_vecs) == V.span(LL2_vecs)
+        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 ]
+
+    # 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.
+    Compute the Lyapunov rank (or bilinearity rank) of this cone.
 
     The Lyapunov rank of a cone can be thought of in (mainly) two ways:
 
@@ -294,16 +459,7 @@ def lyapunov_rank(K):
     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`
+    not possible (see [Orlitzky/Gowda]_).
 
     ALGORITHM:
 
@@ -316,17 +472,21 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     REFERENCES:
 
-    1. M.S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a proper cone
-       and Lyapunov-like transformations, Mathematical Programming, 147
+    .. [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.
 
-    2. G. Rudolf, N. Noyan, D. Papp, and F. Alizadeh, Bilinear
+    .. [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`::
+    The nonnegative orthant in `\mathbb{R}^{n}` always has rank `n`
+    [Rudolf et al.]_::
 
         sage: positives = Cone([(1,)])
         sage: lyapunov_rank(positives)
@@ -334,23 +494,57 @@ def lyapunov_rank(K):
         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: 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::
+    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::
+    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::
+    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()*K.codim()
+        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)])
@@ -358,8 +552,8 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(L31) + lyapunov_rank(octant)
         True
 
-    Two isomorphic cones should have the same Lyapunov rank. The cone
-    ``K`` in the following example is isomorphic to the nonnegative
+    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)])
@@ -367,7 +561,7 @@ def lyapunov_rank(K):
         3
 
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
         sage: K = Cone([(2,2,4), (-1,9,0), (2,0,6)])
         sage: lyapunov_rank(K) == lyapunov_rank(K.dual())
@@ -375,44 +569,168 @@ def lyapunov_rank(K):
 
     TESTS:
 
-    The Lyapunov rank should be additive on a product of cones::
+    The Lyapunov rank should be additive on a product of proper 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: set_random_seed()
+        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
 
+    The Lyapunov rank is invariant under a linear isomorphism
+    [Orlitzky/Gowda]_::
+
+        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)
+        True
+
     The dual cone `K^{*}` of ``K`` should have the same Lyapunov rank as ``K``
-    itself::
+    itself [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, max_rays=10)
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
         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: set_random_seed()
+        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
+        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_ambient_dim=8)
+        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: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: actual = lyapunov_rank(K)
+        sage: K_S = _restrict_to_space(K, K.span())
+        sage: K_SP = _restrict_to_space(K_S.dual(), K_S.dual().span()).dual()
+        sage: l = K.lineality()
+        sage: c = K.codim()
+        sage: expected = lyapunov_rank(K_SP) + K.dim()*(l + c) + c**2
+        sage: actual == expected
+        True
+
+    The Lyapunov rank of any cone is just the dimension of ``LL(K)``::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
+        sage: lyapunov_rank(K) == len(LL(K))
+        True
+
+    We can make an imperfect cone perfect by adding a slack variable
+    (a Theorem in [Orlitzky/Gowda]_)::
+
+        sage: set_random_seed()
+        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()
+        True
+
     """
-    V = K.lattice().vector_space()
+    beta = 0
 
-    C_of_K = discrete_complementarity_set(K)
+    m = K.dim()
+    n = K.lattice_dim()
+    l = K.lineality()
+
+    if m < n:
+        # K is not solid, restrict to its span.
+        K = _restrict_to_space(K, K.span())
+
+        # Non-solid reduction lemma.
+        beta += (n - m)*n
+
+    if l > 0:
+        # K is not pointed, restrict to the span of its dual. Uses a
+        # proposition from our paper, i.e. this is equivalent to K =
+        # _rho(K.dual()).dual().
+        K = _restrict_to_space(K, K.dual().span())
+
+        # Non-pointed reduction lemma.
+        beta += l * m
+
+    beta += len(LL(K))
+    return beta
 
-    matrices = [x.tensor_product(s) 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)
 
-    def phi(m):
-        r"""
-        Convert a matrix to a vector isomorphically.
-        """
-        return W(m.list())
+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::
 
-    vectors = [phi(m) for m in matrices]
+        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.
 
-    return (W.dimension() - W.span(vectors).rank())
+    REFERENCES:
+
+    .. [Orlitzky] M. Orlitzky. The Lyapunov rank of an
+       improper cone (preprint).
+
+    EXAMPLES:
+
+    todo.
+
+    TESTS:
+
+    todo.
+
+    """
+    return all([(L*x).inner_product(s) == 0
+                for (x,s) in discrete_complementarity_set(K)])