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eja: use NumberField instead of QuadraticField everywhere.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_algebra.py
index 07c49473a044411374583b60a15127096c355c2c..12166267cd34410e0a03616a4b2ad5c7f5b8c105 100644 (file)
@@ -15,9 +15,10 @@ from sage.misc.prandom import choice
 from sage.misc.table import table
 from sage.modules.free_module import FreeModule, VectorSpace
 from sage.rings.integer_ring import ZZ
-from sage.rings.number_field.number_field import QuadraticField
+from sage.rings.number_field.number_field import NumberField
 from sage.rings.polynomial.polynomial_ring_constructor import PolynomialRing
 from sage.rings.rational_field import QQ
+from sage.rings.real_lazy import CLF
 from sage.structure.element import is_Matrix
 
 from mjo.eja.eja_element import FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement
@@ -135,13 +136,17 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             return self.zero()
 
         natural_basis = self.natural_basis()
-        if elt not in natural_basis[0].matrix_space():
+        basis_space = natural_basis[0].matrix_space()
+        if elt not in basis_space:
             raise ValueError("not a naturally-represented algebra element")
 
-        # Thanks for nothing! Matrix spaces aren't vector
-        # spaces in Sage, so we have to figure out its
-        # natural-basis coordinates ourselves.
-        V = VectorSpace(elt.base_ring(), elt.nrows()*elt.ncols())
+        # Thanks for nothing! Matrix spaces aren't vector spaces in
+        # Sage, so we have to figure out its natural-basis coordinates
+        # ourselves. We use the basis space's ring instead of the
+        # element's ring because the basis space might be an algebraic
+        # closure whereas the base ring of the 3-by-3 identity matrix
+        # could be QQ instead of QQbar.
+        V = VectorSpace(basis_space.base_ring(), elt.nrows()*elt.ncols())
         W = V.span_of_basis( _mat2vec(s) for s in natural_basis )
         coords =  W.coordinate_vector(_mat2vec(elt))
         return self.from_vector(coords)
@@ -498,8 +503,8 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             Finite family {0: e0, 1: e1, 2: e2}
             sage: J.natural_basis()
             (
-            [1 0]  [0 1]  [0 0]
-            [0 0], [1 0], [0 1]
+            [1 0]  [        0 1/2*sqrt2]  [0 0]
+            [0 0], [1/2*sqrt2         0], [0 1]
             )
 
         ::
@@ -674,7 +679,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
 
             sage: J = RealSymmetricEJA(2)
             sage: J.vector_space()
-            Vector space of dimension 3 over Rational Field
+            Vector space of dimension 3 over...
 
         """
         return self.zero().to_vector().parent().ambient_vector_space()
@@ -800,6 +805,19 @@ def random_eja():
 def _real_symmetric_basis(n, field):
     """
     Return a basis for the space of real symmetric n-by-n matrices.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _real_symmetric_basis
+
+    TESTS::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: B = _real_symmetric_basis(n, QQbar)
+        sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
+        True
+
     """
     # The basis of symmetric matrices, as matrices, in their R^(n-by-n)
     # coordinates.
@@ -810,8 +828,9 @@ def _real_symmetric_basis(n, field):
             if i == j:
                 Sij = Eij
             else:
-                # Beware, orthogonal but not normalized!
                 Sij = Eij + Eij.transpose()
+            # Now normalize it.
+            Sij = Sij / _real_symmetric_matrix_ip(Sij,Sij).sqrt()
             S.append(Sij)
     return tuple(S)
 
@@ -828,11 +847,14 @@ def _complex_hermitian_basis(n, field):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: all( M.is_symmetric() for M in _complex_hermitian_basis(n) )
+        sage: B = _complex_hermitian_basis(n, QQ)
+        sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
         True
 
     """
-    F = QuadraticField(-1, 'I')
+    R = PolynomialRing(field, 'z')
+    z = R.gen()
+    F = NumberField(z**2 + 1, 'I', embedding=CLF(-1).sqrt())
     I = F.gen()
 
     # This is like the symmetric case, but we need to be careful:
@@ -869,7 +891,8 @@ def _quaternion_hermitian_basis(n, field):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: all( M.is_symmetric() for M in _quaternion_hermitian_basis(n) )
+        sage: B = _quaternion_hermitian_basis(n, QQbar)
+        sage: all( M.is_symmetric() for M in B )
         True
 
     """
@@ -945,7 +968,9 @@ def _embed_complex_matrix(M):
 
     EXAMPLES::
 
-        sage: F = QuadraticField(-1,'i')
+        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+        sage: z = R.gen()
+        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
         sage: x1 = F(4 - 2*i)
         sage: x2 = F(1 + 2*i)
         sage: x3 = F(-i)
@@ -964,7 +989,9 @@ def _embed_complex_matrix(M):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(5)
-        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
+        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+        sage: z = R.gen()
+        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
         sage: X = random_matrix(F, n)
         sage: Y = random_matrix(F, n)
         sage: actual = _embed_complex_matrix(X) * _embed_complex_matrix(Y)
@@ -1011,7 +1038,9 @@ def _unembed_complex_matrix(M):
     Unembedding is the inverse of embedding::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
+        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+        sage: z = R.gen()
+        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
         sage: M = random_matrix(F, 3)
         sage: _unembed_complex_matrix(_embed_complex_matrix(M)) == M
         True
@@ -1023,7 +1052,9 @@ def _unembed_complex_matrix(M):
     if not n.mod(2).is_zero():
         raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
 
-    F = QuadraticField(-1, 'i')
+    R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+    z = R.gen()
+    F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
     i = F.gen()
 
     # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
@@ -1084,7 +1115,9 @@ def _embed_quaternion_matrix(M):
     if M.ncols() != n:
         raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
 
-    F = QuadraticField(-1, 'i')
+    R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+    z = R.gen()
+    F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
     i = F.gen()
 
     blocks = []
@@ -1171,6 +1204,9 @@ def _matrix_ip(X,Y):
     Y_mat = Y.natural_representation()
     return (X_mat*Y_mat).trace()
 
+def _real_symmetric_matrix_ip(X,Y):
+    return (X*Y).trace()
+
 
 class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     """
@@ -1189,7 +1225,7 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: e0*e0
         e0
         sage: e1*e1
-        e0 + e2
+        1/2*e0 + 1/2*e2
         sage: e2*e2
         e2
 
@@ -1235,8 +1271,33 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: (x*y).inner_product(z) == y.inner_product(x*z)
         True
 
+    Our basis is normalized with respect to the natural inner product::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: J = RealSymmetricEJA(n)
+        sage: all( b.norm() == 1 for b in J.gens() )
+        True
+
+    Left-multiplication operators are symmetric because they satisfy
+    the Jordan axiom::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: x = RealSymmetricEJA(n).random_element()
+        sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
+        True
+
     """
     def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
+        if n > 1:
+            # We'll need sqrt(2) to normalize the basis, and this
+            # winds up in the multiplication table, so the whole
+            # algebra needs to be over the field extension.
+            R = PolynomialRing(field, 'z')
+            z = R.gen()
+            field = NumberField(z**2 - 2, 'sqrt2')
+
         S = _real_symmetric_basis(n, field)
         Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
 
@@ -1248,7 +1309,9 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
                               **kwargs)
 
     def inner_product(self, x, y):
-        return _matrix_ip(x,y)
+        X = x.natural_representation()
+        Y = y.natural_representation()
+        return _real_symmetric_matrix_ip(X,Y)
 
 
 class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):