]> 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 421fb3c8f04abb23fd420271ed10e0a7e65815d4..f3543a147ad8da3c5000015f3c53e837781180e5 100644 (file)
@@ -8,77 +8,235 @@ addsitedir(abspath('../../'))
 from sage.all import *
 
 
-def project_span(K):
+def _basically_the_same(K1, K2):
     r"""
-    Project ``K`` into its own span.
+    Test whether or not ``K1`` and ``K2`` are "basically the same."
 
-    EXAMPLES::
+    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.
+
+    OUTPUT:
+
+    ``True`` if ``K1`` and ``K2`` are basically the same, and ``False``
+    otherwise.
+
+    EXAMPLES:
+
+    Any proper cone with three generators in `\mathbb{R}^{3}` is
+    basically the same as the nonnegative orthant::
+
+        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
+
+    Negating a cone gives you another cone that is basically the same::
+
+        sage: K = Cone([(0,2,-5), (-6, 2, 4), (0, 51, 0)])
+        sage: _basically_the_same(K, -K)
+        True
+
+    TESTS:
+
+    Any cone is basically the same as itself::
+
+        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_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
+
+    """
+    if K1.lattice_dim() != K2.lattice_dim():
+        return False
+
+    if K1.nrays() != K2.nrays():
+        return False
+
+    if K1.dim() != K2.dim():
+        return False
+
+    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 len(K1.facets()) != len(K2.facets()):
+        return False
+
+    return True
+
+
+
+def _restrict_to_space(K, W):
+    r"""
+    Restrict this cone a subspace of its ambient space.
+
+    INPUT:
+
+    - ``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: project_span(K) == K
+        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: project_span(K2).rays()
+        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: project_span(K3).rays()
+        sage: K3_S = _restrict_to_space(K3, K3.span()).rays()
+        sage: K3_S
         N(1)
         in 1-d lattice N
-        sage: project_span(K2) == project_span(K3)
+        sage: K2_S == K3_S
         True
 
     TESTS:
 
     The projected cone should always be solid::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K_S = project_span(K)
-        sage: K_S.is_solid()
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: _restrict_to_space(K, K.span()).is_solid()
+        True
+
+    And the resulting cone should live in a space having the same
+    dimension as the space we restricted it to::
+
+        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
+
+    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
+
+    Nor should it affect the lineality of a cone::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim = 8)
+        sage: K.lineality() == _restrict_to_space(K, K.span()).lineality()
+        True
+
+    No matter which space we restrict to, the lineality should not
+    increase::
+
+        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
 
     If we do this according to our paper, then the result is proper::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim = 10)
-        sage: K_S = project_span(K)
-        sage: P = project_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: P.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
+
+    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
 
     """
-    L = K.lattice()
-    F = L.base_field()
-    Q = L.quotient(K.sublattice_complement())
-    vecs = [ vector(F, reversed(list(Q(r)))) for r in K.rays() ]
+    # 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)
 
-    newL = None
-    if len(vecs) == 0:
-        newL = ToricLattice(0)
+    # 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() ]
 
-    return Cone(vecs, lattice=newL)
+    L = ToricLattice(W.dimension())
+    return Cone(K_W_rays, lattice=L)
 
 
 
 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
@@ -109,24 +267,43 @@ 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: 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]
@@ -192,24 +369,47 @@ def LL(K):
         [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: K = random_cone(max_dim=8, max_rays=10)
+        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]
+    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
@@ -240,7 +440,7 @@ def LL(K):
 
 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:
 
@@ -259,16 +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:
 
@@ -311,8 +502,8 @@ def lyapunov_rank(K):
     [Orlitzky/Gowda]_::
 
         sage: R5 = VectorSpace(QQ, 5)
-        sage: gens = R5.basis() + [ -r for r in R5.basis() ]
-        sage: K = Cone(gens)
+        sage: gs = R5.basis() + [ -r for r in R5.basis() ]
+        sage: K = Cone(gs)
         sage: lyapunov_rank(K)
         25
 
@@ -345,11 +536,11 @@ def lyapunov_rank(K):
         sage: neg_e1 = (-1,0,0,0,0)
         sage: e2 = (0,1,0,0,0)
         sage: neg_e2 = (0,-1,0,0,0)
-        sage: zero = (0,0,0,0,0)
-        sage: K = Cone([e1, neg_e1, e2, neg_e2, zero, zero, zero])
+        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.lattice_dim() - K.dim())
+        sage: K.lattice_dim()**2 - K.dim()*K.codim()
         19
 
     The Lyapunov rank should be additive on a product of proper cones
@@ -381,16 +572,31 @@ def lyapunov_rank(K):
     The Lyapunov rank should be additive on a product of proper cones
     [Rudolf et al.]_::
 
-        sage: K1 = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
-        sage: K2 = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
+        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 [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
 
@@ -400,7 +606,10 @@ def lyapunov_rank(K):
     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: 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
@@ -411,7 +620,8 @@ def lyapunov_rank(K):
     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: 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
@@ -420,42 +630,107 @@ def lyapunov_rank(K):
     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=10)
+        sage: set_random_seed()
+        sage: K = random_cone(max_ambient_dim=8)
         sage: actual = lyapunov_rank(K)
-        sage: K_S = project_span(K)
-        sage: P = project_span(K_S.dual()).dual()
-        sage: l = K.linear_subspace().dimension()
-        sage: codim = K.lattice_dim() - K.dim()
-        sage: expected = lyapunov_rank(P) + K.dim()*(l + codim) + codim**2
+        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 a proper cone is just the dimension of ``LL(K)``::
+    The Lyapunov rank of any cone is just the dimension of ``LL(K)``::
 
-        sage: K = random_cone(max_dim=10, strictly_convex=True, solid=True)
+        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
+
     """
     beta = 0
 
     m = K.dim()
     n = K.lattice_dim()
-    l = K.linear_subspace().dimension()
+    l = K.lineality()
 
     if m < n:
-        # K is not solid, project onto its span.
-        K = project_span(K)
+        # K is not solid, restrict to its span.
+        K = _restrict_to_space(K, K.span())
 
-        # Lemma 2
-        beta += m*(n - m) + (n - m)**2
+        # Non-solid reduction lemma.
+        beta += (n - m)*n
 
     if l > 0:
-        # K is not pointed, project its dual onto its span.
-        K = project_span(K.dual()).dual()
+        # 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())
 
-        # Lemma 3
-        beta += m * l
+        # Non-pointed reduction lemma.
+        beta += l * m
 
     beta += len(LL(K))
     return beta
+
+
+
+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:
+
+    .. [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)])