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eja: add random_instance() method for algebras.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_algebra.py
index 12166267cd34410e0a03616a4b2ad5c7f5b8c105..413128c843647e038e8869471daf29d84f1470f2 100644 (file)
@@ -15,10 +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 NumberField
+from sage.rings.number_field.number_field import NumberField, QuadraticField
 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.rings.real_lazy import CLF, RLF
 from sage.structure.element import is_Matrix
 
 from mjo.eja.eja_element import FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement
@@ -60,6 +60,9 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         self._rank = rank
         self._natural_basis = natural_basis
 
+        # TODO: HACK for the charpoly.. needs redesign badly.
+        self._basis_normalizers = None
+
         if category is None:
             category = MagmaticAlgebras(field).FiniteDimensional()
             category = category.WithBasis().Unital()
@@ -120,11 +123,11 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         vector representations) back and forth faithfully::
 
             sage: set_random_seed()
-            sage: J = RealCartesianProductEJA(5)
+            sage: J = RealCartesianProductEJA.random_instance()
             sage: x = J.random_element()
             sage: J(x.to_vector().column()) == x
             True
-            sage: J = JordanSpinEJA(5)
+            sage: J = JordanSpinEJA.random_instance()
             sage: x = J.random_element()
             sage: J(x.to_vector().column()) == x
             True
@@ -152,6 +155,26 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return self.from_vector(coords)
 
 
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        """
+        Return an integer "size" that is an upper bound on the size of
+        this algebra when it is used in a random test
+        case. Unfortunately, the term "size" is quite vague -- when
+        dealing with `R^n` under either the Hadamard or Jordan spin
+        product, the "size" refers to the dimension `n`. When dealing
+        with a matrix algebra (real symmetric or complex/quaternion
+        Hermitian), it refers to the size of the matrix, which is
+        far less than the dimension of the underlying vector space.
+
+        We default to five in this class, which is safe in `R^n`. The
+        matrix algebra subclasses (or any class where the "size" is
+        interpreted to be far less than the dimension) should override
+        with a smaller number.
+        """
+        return 5
+
+
     def _repr_(self):
         """
         Return a string representation of ``self``.
@@ -224,6 +247,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return V.span_of_basis(b)
 
 
+
     @cached_method
     def _charpoly_coeff(self, i):
         """
@@ -234,6 +258,19 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         store the trace/determinant (a_{r-1} and a_{0} respectively)
         separate from the entire characteristic polynomial.
         """
+        if self._basis_normalizers is not None:
+             # Must be a matrix class?
+             # WARNING/TODO: this whole mess is mis-designed.
+             n = self.natural_basis_space().nrows()
+             field = self.base_ring().base_ring() # yeeeeaaaahhh
+             J = self.__class__(n, field, False)
+             (_,x,_,_) = J._charpoly_matrix_system()
+             p = J._charpoly_coeff(i)
+             # p might be missing some vars, have to substitute "optionally"
+             pairs = zip(x.base_ring().gens(), self._basis_normalizers)
+             substitutions = { v: v*c for (v,c) in pairs }
+             return p.subs(substitutions)
+
         (A_of_x, x, xr, detA) = self._charpoly_matrix_system()
         R = A_of_x.base_ring()
         if i >= self.rank():
@@ -416,9 +453,9 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             True
 
         """
-        if (not x in self) or (not y in self):
-            raise TypeError("arguments must live in this algebra")
-        return x.trace_inner_product(y)
+        X = x.natural_representation()
+        Y = y.natural_representation()
+        return self.natural_inner_product(X,Y)
 
 
     def is_trivial(self):
@@ -537,6 +574,20 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             return self._natural_basis[0].matrix_space()
 
 
+    @staticmethod
+    def natural_inner_product(X,Y):
+        """
+        Compute the inner product of two naturally-represented elements.
+
+        For example in the real symmetric matrix EJA, this will compute
+        the trace inner-product of two n-by-n symmetric matrices. The
+        default should work for the real cartesian product EJA, the
+        Jordan spin EJA, and the real symmetric matrices. The others
+        will have to be overridden.
+        """
+        return (X.conjugate_transpose()*Y).trace()
+
+
     @cached_method
     def one(self):
         """
@@ -607,6 +658,28 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             return s.random_element()
 
 
+    @classmethod
+    def random_instance(cls, field=QQ, **kwargs):
+        """
+        Return a random instance of this type of algebra.
+
+        In subclasses for algebras that we know how to construct, this
+        is a shortcut for constructing test cases and examples.
+        """
+        if cls is FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra:
+            # Red flag! But in theory we could do this I guess. The
+            # only finite-dimensional exceptional EJA is the
+            # octononions. So, we could just create an EJA from an
+            # associative matrix algebra (generated by a subset of
+            # elements) with the symmetric product. Or, we could punt
+            # to random_eja() here, override it in our subclasses, and
+            # not worry about it.
+            raise NotImplementedError
+
+        n = ZZ.random_element(1, cls._max_test_case_size())
+        return cls(n, field, **kwargs)
+
+
     def rank(self):
         """
         Return the rank of this EJA.
@@ -730,8 +803,7 @@ class RealCartesianProductEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     Our inner product satisfies the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = RealCartesianProductEJA(n)
+        sage: J = RealCartesianProductEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: z = J.random_element()
@@ -748,7 +820,29 @@ class RealCartesianProductEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         return fdeja.__init__(field, mult_table, rank=n, **kwargs)
 
     def inner_product(self, x, y):
-        return _usual_ip(x,y)
+        """
+        Faster to reimplement than to use natural representations.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import RealCartesianProductEJA
+
+        TESTS:
+
+        Ensure that this is the usual inner product for the algebras
+        over `R^n`::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = RealCartesianProductEJA.random_instance()
+            sage: x = J.random_element()
+            sage: y = J.random_element()
+            sage: X = x.natural_representation()
+            sage: Y = y.natural_representation()
+            sage: x.inner_product(y) == J.natural_inner_product(X,Y)
+            True
+
+        """
+        return x.to_vector().inner_product(y.to_vector())
 
 
 def random_eja():
@@ -787,18 +881,12 @@ def random_eja():
         Euclidean Jordan algebra of dimension...
 
     """
-
-    # The max_n component lets us choose different upper bounds on the
-    # value "n" that gets passed to the constructor. This is needed
-    # because e.g. R^{10} is reasonable to test, while the Hermitian
-    # 10-by-10 quaternion matrices are not.
-    (constructor, max_n) = choice([(RealCartesianProductEJA, 6),
-                                   (JordanSpinEJA, 6),
-                                   (RealSymmetricEJA, 5),
-                                   (ComplexHermitianEJA, 4),
-                                   (QuaternionHermitianEJA, 3)])
-    n = ZZ.random_element(1, max_n)
-    return constructor(n, field=QQ)
+    classname = choice([RealCartesianProductEJA,
+                        JordanSpinEJA,
+                        RealSymmetricEJA,
+                        ComplexHermitianEJA,
+                        QuaternionHermitianEJA])
+    return classname.random_instance()
 
 
 
@@ -814,7 +902,7 @@ def _real_symmetric_basis(n, field):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: B = _real_symmetric_basis(n, QQbar)
+        sage: B = _real_symmetric_basis(n, QQ)
         sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
         True
 
@@ -829,8 +917,6 @@ def _real_symmetric_basis(n, field):
                 Sij = Eij
             else:
                 Sij = Eij + Eij.transpose()
-            # Now normalize it.
-            Sij = Sij / _real_symmetric_matrix_ip(Sij,Sij).sqrt()
             S.append(Sij)
     return tuple(S)
 
@@ -839,6 +925,12 @@ def _complex_hermitian_basis(n, field):
     """
     Returns a basis for the space of complex Hermitian n-by-n matrices.
 
+    Why do we embed these? Basically, because all of numerical linear
+    algebra assumes that you're working with vectors consisting of `n`
+    entries from a field and scalars from the same field. There's no way
+    to tell SageMath that (for example) the vectors contain complex
+    numbers, while the scalar field is real.
+
     SETUP::
 
         sage: from mjo.eja.eja_algebra import _complex_hermitian_basis
@@ -847,7 +939,8 @@ def _complex_hermitian_basis(n, field):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: B = _complex_hermitian_basis(n, QQ)
+        sage: field = QuadraticField(2, 'sqrt2')
+        sage: B = _complex_hermitian_basis(n, field)
         sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
         True
 
@@ -865,24 +958,33 @@ def _complex_hermitian_basis(n, field):
     S = []
     for i in xrange(n):
         for j in xrange(i+1):
-            Eij = matrix(field, n, lambda k,l: k==i and l==j)
+            Eij = matrix(F, n, lambda k,l: k==i and l==j)
             if i == j:
                 Sij = _embed_complex_matrix(Eij)
                 S.append(Sij)
             else:
-                # Beware, orthogonal but not normalized! The second one
-                # has a minus because it's conjugated.
+                # The second one has a minus because it's conjugated.
                 Sij_real = _embed_complex_matrix(Eij + Eij.transpose())
                 S.append(Sij_real)
                 Sij_imag = _embed_complex_matrix(I*Eij - I*Eij.transpose())
                 S.append(Sij_imag)
-    return tuple(S)
+
+    # Since we embedded these, we can drop back to the "field" that we
+    # started with instead of the complex extension "F".
+    return tuple( s.change_ring(field) for s in S )
+
 
 
 def _quaternion_hermitian_basis(n, field):
     """
     Returns a basis for the space of quaternion Hermitian n-by-n matrices.
 
+    Why do we embed these? Basically, because all of numerical linear
+    algebra assumes that you're working with vectors consisting of `n`
+    entries from a field and scalars from the same field. There's no way
+    to tell SageMath that (for example) the vectors contain complex
+    numbers, while the scalar field is real.
+
     SETUP::
 
         sage: from mjo.eja.eja_algebra import _quaternion_hermitian_basis
@@ -891,7 +993,7 @@ def _quaternion_hermitian_basis(n, field):
 
         sage: set_random_seed()
         sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: B = _quaternion_hermitian_basis(n, QQbar)
+        sage: B = _quaternion_hermitian_basis(n, QQ)
         sage: all( M.is_symmetric() for M in B )
         True
 
@@ -964,13 +1066,12 @@ def _embed_complex_matrix(M):
 
     SETUP::
 
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _embed_complex_matrix
+        sage: from mjo.eja.eja_algebra import (_embed_complex_matrix,
+        ....:                                  ComplexHermitianEJA)
 
     EXAMPLES::
 
-        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
-        sage: z = R.gen()
-        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
         sage: x1 = F(4 - 2*i)
         sage: x2 = F(1 + 2*i)
         sage: x3 = F(-i)
@@ -988,10 +1089,9 @@ def _embed_complex_matrix(M):
     Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(5)
-        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
-        sage: z = R.gen()
-        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+        sage: n_max = ComplexHermitianEJA._max_test_case_size()
+        sage: n = ZZ.random_element(n_max)
+        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
         sage: X = random_matrix(F, n)
         sage: Y = random_matrix(F, n)
         sage: actual = _embed_complex_matrix(X) * _embed_complex_matrix(Y)
@@ -1006,8 +1106,8 @@ def _embed_complex_matrix(M):
     field = M.base_ring()
     blocks = []
     for z in M.list():
-        a = z.real()
-        b = z.imag()
+        a = z.vector()[0] # real part, I guess
+        b = z.vector()[1] # imag part, I guess
         blocks.append(matrix(field, 2, [[a,b],[-b,a]]))
 
     # We can drop the imaginaries here.
@@ -1038,9 +1138,7 @@ def _unembed_complex_matrix(M):
     Unembedding is the inverse of embedding::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: R = PolynomialRing(QQ, 'z')
-        sage: z = R.gen()
-        sage: F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
         sage: M = random_matrix(F, 3)
         sage: _unembed_complex_matrix(_embed_complex_matrix(M)) == M
         True
@@ -1052,9 +1150,10 @@ def _unembed_complex_matrix(M):
     if not n.mod(2).is_zero():
         raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
 
-    R = PolynomialRing(QQ, 'z')
+    field = M.base_ring() # This should already have sqrt2
+    R = PolynomialRing(field, 'z')
     z = R.gen()
-    F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+    F = NumberField(z**2 + 1,'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
     i = F.gen()
 
     # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
@@ -1083,7 +1182,8 @@ def _embed_quaternion_matrix(M):
 
     SETUP::
 
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _embed_quaternion_matrix
+        sage: from mjo.eja.eja_algebra import (_embed_quaternion_matrix,
+        ....:                                  QuaternionHermitianEJA)
 
     EXAMPLES::
 
@@ -1100,7 +1200,8 @@ def _embed_quaternion_matrix(M):
     Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(5)
+        sage: n_max = QuaternionHermitianEJA._max_test_case_size()
+        sage: n = ZZ.random_element(n_max)
         sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
         sage: X = random_matrix(Q, n)
         sage: Y = random_matrix(Q, n)
@@ -1115,9 +1216,7 @@ def _embed_quaternion_matrix(M):
     if M.ncols() != n:
         raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
 
-    R = PolynomialRing(QQ, 'z')
-    z = R.gen()
-    F = NumberField(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+    F = QuadraticField(-1, 'i')
     i = F.gen()
 
     blocks = []
@@ -1171,7 +1270,10 @@ def _unembed_quaternion_matrix(M):
     if not n.mod(4).is_zero():
         raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
 
-    Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
+    # Use the base ring of the matrix to ensure that its entries can be
+    # multiplied by elements of the quaternion algebra.
+    field = M.base_ring()
+    Q = QuaternionAlgebra(field,-1,-1)
     i,j,k = Q.gens()
 
     # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
@@ -1185,17 +1287,15 @@ def _unembed_quaternion_matrix(M):
                 raise ValueError('bad on-diagonal submatrix')
             if submat[0,1] != -submat[1,0].conjugate():
                 raise ValueError('bad off-diagonal submatrix')
-            z  = submat[0,0].real() + submat[0,0].imag()*i
-            z += submat[0,1].real()*j + submat[0,1].imag()*k
+            z  = submat[0,0].vector()[0]   # real part
+            z += submat[0,0].vector()[1]*i # imag part
+            z += submat[0,1].vector()[0]*j # real part
+            z += submat[0,1].vector()[1]*k # imag part
             elements.append(z)
 
     return matrix(Q, n/4, elements)
 
 
-# The usual inner product on R^n.
-def _usual_ip(x,y):
-    return x.to_vector().inner_product(y.to_vector())
-
 # The inner product used for the real symmetric simple EJA.
 # We keep it as a separate function because e.g. the complex
 # algebra uses the same inner product, except divided by 2.
@@ -1204,9 +1304,6 @@ 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):
     """
@@ -1234,7 +1331,8 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     The dimension of this algebra is `(n^2 + n) / 2`::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: n_max = RealSymmetricEJA._max_test_case_size()
+        sage: n = ZZ.random_element(1, n_max)
         sage: J = RealSymmetricEJA(n)
         sage: J.dimension() == (n^2 + n)/2
         True
@@ -1242,8 +1340,7 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     The Jordan multiplication is what we think it is::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = RealSymmetricEJA(n)
+        sage: J = RealSymmetricEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
@@ -1263,42 +1360,50 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     Our inner product satisfies the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = RealSymmetricEJA(n)
+        sage: J = RealSymmetricEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: z = J.random_element()
         sage: (x*y).inner_product(z) == y.inner_product(x*z)
         True
 
-    Our basis is normalized with respect to the natural inner product::
+    Our natural basis is normalized with respect to the natural inner
+    product unless we specify otherwise::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = RealSymmetricEJA(n)
+        sage: J = RealSymmetricEJA.random_instance()
         sage: all( b.norm() == 1 for b in J.gens() )
         True
 
-    Left-multiplication operators are symmetric because they satisfy
-    the Jordan axiom::
+    Since our natural basis is normalized with respect to the natural
+    inner product, and since we know that this algebra is an EJA, any
+    left-multiplication operator's matrix will be symmetric because
+    natural->EJA basis representation is an isometry and within the EJA
+    the operator is self-adjoint by the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: x = RealSymmetricEJA(n).random_element()
+        sage: x = RealSymmetricEJA.random_instance().random_element()
         sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
         True
 
     """
-    def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
-        if n > 1:
+    def __init__(self, n, field=QQ, normalize_basis=True, **kwargs):
+        S = _real_symmetric_basis(n, field)
+
+        if n > 1 and normalize_basis:
             # 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')
+            p = z**2 - 2
+            if p.is_irreducible():
+                field = NumberField(p, 'sqrt2', embedding=RLF(2).sqrt())
+                S = [ s.change_ring(field) for s in S ]
+            self._basis_normalizers = tuple(
+                ~(self.natural_inner_product(s,s).sqrt()) for s in S )
+            S = tuple( s*c for (s,c) in zip(S,self._basis_normalizers) )
 
-        S = _real_symmetric_basis(n, field)
         Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
 
         fdeja = super(RealSymmetricEJA, self)
@@ -1308,10 +1413,9 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
                               natural_basis=S,
                               **kwargs)
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        X = x.natural_representation()
-        Y = y.natural_representation()
-        return _real_symmetric_matrix_ip(X,Y)
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        return 5
 
 
 class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
@@ -1330,7 +1434,8 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     The dimension of this algebra is `n^2`::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: n_max = ComplexHermitianEJA._max_test_case_size()
+        sage: n = ZZ.random_element(1, n_max)
         sage: J = ComplexHermitianEJA(n)
         sage: J.dimension() == n^2
         True
@@ -1338,8 +1443,7 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     The Jordan multiplication is what we think it is::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = ComplexHermitianEJA(n)
+        sage: J = ComplexHermitianEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
@@ -1359,17 +1463,50 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     Our inner product satisfies the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = ComplexHermitianEJA(n)
+        sage: J = ComplexHermitianEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: z = J.random_element()
         sage: (x*y).inner_product(z) == y.inner_product(x*z)
         True
 
+    Our natural basis is normalized with respect to the natural inner
+    product unless we specify otherwise::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: J = ComplexHermitianEJA.random_instance()
+        sage: all( b.norm() == 1 for b in J.gens() )
+        True
+
+    Since our natural basis is normalized with respect to the natural
+    inner product, and since we know that this algebra is an EJA, any
+    left-multiplication operator's matrix will be symmetric because
+    natural->EJA basis representation is an isometry and within the EJA
+    the operator is self-adjoint by the Jordan axiom::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: x = ComplexHermitianEJA.random_instance().random_element()
+        sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
+        True
+
     """
-    def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
+    def __init__(self, n, field=QQ, normalize_basis=True, **kwargs):
         S = _complex_hermitian_basis(n, field)
+
+        if n > 1 and normalize_basis:
+            # 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()
+            p = z**2 - 2
+            if p.is_irreducible():
+                field = NumberField(p, 'sqrt2', embedding=RLF(2).sqrt())
+                S = [ s.change_ring(field) for s in S ]
+            self._basis_normalizers = tuple(
+                ~(self.natural_inner_product(s,s).sqrt()) for s in S )
+            S = tuple( s*c for (s,c) in zip(S,self._basis_normalizers) )
+
         Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
 
         fdeja = super(ComplexHermitianEJA, self)
@@ -1380,15 +1517,17 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
                               **kwargs)
 
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        # Since a+bi on the diagonal is represented as
-        #
-        #   a + bi  = [  a  b  ]
-        #             [ -b  a  ],
-        #
-        # we'll double-count the "a" entries if we take the trace of
-        # the embedding.
-        return _matrix_ip(x,y)/2
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        return 4
+
+    @staticmethod
+    def natural_inner_product(X,Y):
+        Xu = _unembed_complex_matrix(X)
+        Yu = _unembed_complex_matrix(Y)
+        # The trace need not be real; consider Xu = (i*I) and Yu = I.
+        return ((Xu*Yu).trace()).vector()[0] # real part, I guess
+
 
 
 class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
@@ -1404,10 +1543,11 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
 
     TESTS:
 
-    The dimension of this algebra is `n^2`::
+    The dimension of this algebra is `2*n^2 - n`::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+        sage: n_max = QuaternionHermitianEJA._max_test_case_size()
+        sage: n = ZZ.random_element(1, n_max)
         sage: J = QuaternionHermitianEJA(n)
         sage: J.dimension() == 2*(n^2) - n
         True
@@ -1415,8 +1555,7 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     The Jordan multiplication is what we think it is::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = QuaternionHermitianEJA(n)
+        sage: J = QuaternionHermitianEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
@@ -1436,17 +1575,50 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     Our inner product satisfies the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = QuaternionHermitianEJA(n)
+        sage: J = QuaternionHermitianEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: z = J.random_element()
         sage: (x*y).inner_product(z) == y.inner_product(x*z)
         True
 
+    Our natural basis is normalized with respect to the natural inner
+    product unless we specify otherwise::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: J = QuaternionHermitianEJA.random_instance()
+        sage: all( b.norm() == 1 for b in J.gens() )
+        True
+
+    Since our natural basis is normalized with respect to the natural
+    inner product, and since we know that this algebra is an EJA, any
+    left-multiplication operator's matrix will be symmetric because
+    natural->EJA basis representation is an isometry and within the EJA
+    the operator is self-adjoint by the Jordan axiom::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: x = QuaternionHermitianEJA.random_instance().random_element()
+        sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
+        True
+
     """
-    def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
+    def __init__(self, n, field=QQ, normalize_basis=True, **kwargs):
         S = _quaternion_hermitian_basis(n, field)
+
+        if n > 1 and normalize_basis:
+            # 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()
+            p = z**2 - 2
+            if p.is_irreducible():
+                field = NumberField(p, 'sqrt2', embedding=RLF(2).sqrt())
+                S = [ s.change_ring(field) for s in S ]
+            self._basis_normalizers = tuple(
+                ~(self.natural_inner_product(s,s).sqrt()) for s in S )
+            S = tuple( s*c for (s,c) in zip(S,self._basis_normalizers) )
+
         Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
 
         fdeja = super(QuaternionHermitianEJA, self)
@@ -1456,17 +1628,20 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
                               natural_basis=S,
                               **kwargs)
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        # Since a+bi+cj+dk on the diagonal is represented as
-        #
-        #   a + bi +cj + dk = [  a  b  c  d]
-        #                     [ -b  a -d  c]
-        #                     [ -c  d  a -b]
-        #                     [ -d -c  b  a],
-        #
-        # we'll quadruple-count the "a" entries if we take the trace of
-        # the embedding.
-        return _matrix_ip(x,y)/4
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        return 3
+
+    @staticmethod
+    def natural_inner_product(X,Y):
+        Xu = _unembed_quaternion_matrix(X)
+        Yu = _unembed_quaternion_matrix(Y)
+        # The trace need not be real; consider Xu = (i*I) and Yu = I.
+        # The result will be a quaternion algebra element, which doesn't
+        # have a "vector" method, but does have coefficient_tuple() method
+        # that returns the coefficients of 1, i, j, and k -- in that order.
+        return ((Xu*Yu).trace()).coefficient_tuple()[0]
+
 
 
 class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
@@ -1509,8 +1684,7 @@ class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     Our inner product satisfies the Jordan axiom::
 
         sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: J = JordanSpinEJA(n)
+        sage: J = JordanSpinEJA.random_instance()
         sage: x = J.random_element()
         sage: y = J.random_element()
         sage: z = J.random_element()
@@ -1542,4 +1716,26 @@ class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         return fdeja.__init__(field, mult_table, rank=min(n,2), **kwargs)
 
     def inner_product(self, x, y):
-        return _usual_ip(x,y)
+        """
+        Faster to reimplement than to use natural representations.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import JordanSpinEJA
+
+        TESTS:
+
+        Ensure that this is the usual inner product for the algebras
+        over `R^n`::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = JordanSpinEJA.random_instance()
+            sage: x = J.random_element()
+            sage: y = J.random_element()
+            sage: X = x.natural_representation()
+            sage: Y = y.natural_representation()
+            sage: x.inner_product(y) == J.natural_inner_product(X,Y)
+            True
+
+        """
+        return x.to_vector().inner_product(y.to_vector())