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eja: define subalgebra_generated_by() to contain the identity.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_algebra.py
index 42b2474d6971d81c8a1fcda67b079892a3e8af25..658957556cf382a62d0d252359ce735019996973 100644 (file)
@@ -5,6 +5,8 @@ are used in optimization, and have some additional nice methods beyond
 what can be supported in a general Jordan Algebra.
 """
 
+from itertools import izip, repeat
+
 from sage.algebras.quatalg.quaternion_algebra import QuaternionAlgebra
 from sage.categories.magmatic_algebras import MagmaticAlgebras
 from sage.combinat.free_module import CombinatorialFreeModule
@@ -14,12 +16,9 @@ from sage.misc.cachefunc import cached_method
 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.polynomial.polynomial_ring_constructor import PolynomialRing
-from sage.rings.rational_field import QQ
-from sage.structure.element import is_Matrix
-
+from sage.rings.all import (ZZ, QQ, RR, RLF, CLF,
+                            PolynomialRing,
+                            QuadraticField)
 from mjo.eja.eja_element import FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement
 from mjo.eja.eja_utils import _mat2vec
 
@@ -38,11 +37,12 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
                  rank,
                  prefix='e',
                  category=None,
-                 natural_basis=None):
+                 natural_basis=None,
+                 check=True):
         """
         SETUP::
 
-            sage: from mjo.eja.eja_algebra import random_eja
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import (JordanSpinEJA, random_eja)
 
         EXAMPLES:
 
@@ -50,12 +50,27 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: x = J.random_element()
-            sage: y = J.random_element()
+            sage: x,y = J.random_elements(2)
             sage: x*y == y*x
             True
 
+        TESTS:
+
+        The ``field`` we're given must be real::
+
+            sage: JordanSpinEJA(2,QQbar)
+            Traceback (most recent call last):
+            ...
+            ValueError: field is not real
+
         """
+        if check:
+            if not field.is_subring(RR):
+                # Note: this does return true for the real algebraic
+                # field, and any quadratic field where we've specified
+                # a real embedding.
+                raise ValueError('field is not real')
+
         self._rank = rank
         self._natural_basis = natural_basis
 
@@ -119,11 +134,11 @@ 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
@@ -135,13 +150,17 @@ 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)
@@ -219,6 +238,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return V.span_of_basis(b)
 
 
+
     @cached_method
     def _charpoly_coeff(self, i):
         """
@@ -382,7 +402,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             # assign a[r] goes out-of-bounds.
             a.append(1) # corresponds to x^r
 
-        return sum( a[k]*(t**k) for k in range(len(a)) )
+        return sum( a[k]*(t**k) for k in xrange(len(a)) )
 
 
     def inner_product(self, x, y):
@@ -399,21 +419,19 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
 
         EXAMPLES:
 
-        The inner product must satisfy its axiom for this algebra to truly
-        be a Euclidean Jordan Algebra::
+        Our inner product is "associative," which means the following for
+        a symmetric bilinear form::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
-            sage: x = J.random_element()
-            sage: y = J.random_element()
-            sage: z = J.random_element()
+            sage: x,y,z = J.random_elements(3)
             sage: (x*y).inner_product(z) == y.inner_product(x*z)
             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):
@@ -431,9 +449,6 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             sage: J = ComplexHermitianEJA(3)
             sage: J.is_trivial()
             False
-            sage: A = J.zero().subalgebra_generated_by()
-            sage: A.is_trivial()
-            True
 
         """
         return self.dimension() == 0
@@ -466,7 +481,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
 
         """
         M = list(self._multiplication_table) # copy
-        for i in range(len(M)):
+        for i in xrange(len(M)):
             # M had better be "square"
             M[i] = [self.monomial(i)] + M[i]
         M = [["*"] + list(self.gens())] + M
@@ -498,8 +513,8 @@ 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]
             )
 
         ::
@@ -532,6 +547,20 @@ 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):
         """
@@ -593,13 +622,25 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return self.linear_combination(zip(self.gens(), coeffs))
 
 
-    def random_element(self):
-        # Temporary workaround for https://trac.sagemath.org/ticket/28327
-        if self.is_trivial():
-            return self.zero()
-        else:
-            s = super(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra, self)
-            return s.random_element()
+    def random_elements(self, count):
+        """
+        Return ``count`` random elements as a tuple.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import JordanSpinEJA
+
+        EXAMPLES::
+
+            sage: J = JordanSpinEJA(3)
+            sage: x,y,z = J.random_elements(3)
+            sage: all( [ x in J, y in J, z in J ])
+            True
+            sage: len( J.random_elements(10) ) == 10
+            True
+
+        """
+        return  tuple( self.random_element() for idx in xrange(count) )
 
 
     def rank(self):
@@ -635,18 +676,12 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         The rank of the `n`-by-`n` Hermitian real, complex, or
         quaternion matrices is `n`::
 
-            sage: RealSymmetricEJA(2).rank()
-            2
-            sage: ComplexHermitianEJA(2).rank()
-            2
+            sage: RealSymmetricEJA(4).rank()
+            4
+            sage: ComplexHermitianEJA(3).rank()
+            3
             sage: QuaternionHermitianEJA(2).rank()
             2
-            sage: RealSymmetricEJA(5).rank()
-            5
-            sage: ComplexHermitianEJA(5).rank()
-            5
-            sage: QuaternionHermitianEJA(5).rank()
-            5
 
         TESTS:
 
@@ -674,7 +709,7 @@ 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()
@@ -683,7 +718,57 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
     Element = FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebraElement
 
 
-class RealCartesianProductEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+class KnownRankEJA(object):
+    """
+    A class for algebras that we actually know we can construct.  The
+    main issue is that, for most of our methods to make sense, we need
+    to know the rank of our algebra. Thus we can't simply generate a
+    "random" algebra, or even check that a given basis and product
+    satisfy the axioms; because even if everything looks OK, we wouldn't
+    know the rank we need to actuallty build the thing.
+
+    Not really a subclass of FDEJA because doing that causes method
+    resolution errors, e.g.
+
+      TypeError: Error when calling the metaclass bases
+      Cannot create a consistent method resolution
+      order (MRO) for bases FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra,
+      KnownRankEJA
+
+    """
+    @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
+
+    @classmethod
+    def random_instance(cls, field=QQ, **kwargs):
+        """
+        Return a random instance of this type of algebra.
+
+        Beware, this will crash for "most instances" because the
+        constructor below looks wrong.
+        """
+        n = ZZ.random_element(cls._max_test_case_size()) + 1
+        return cls(n, field, **kwargs)
+
+
+class RealCartesianProductEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra,
+                              KnownRankEJA):
     """
     Return the Euclidean Jordan Algebra corresponding to the set
     `R^n` under the Hadamard product.
@@ -725,17 +810,38 @@ class RealCartesianProductEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     """
     def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
         V = VectorSpace(field, n)
-        mult_table = [ [ V.gen(i)*(i == j) for j in range(n) ]
-                       for i in range(n) ]
+        mult_table = [ [ V.gen(i)*(i == j) for j in xrange(n) ]
+                       for i in xrange(n) ]
 
         fdeja = super(RealCartesianProductEJA, self)
         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`::
 
-def random_eja():
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = RealCartesianProductEJA.random_instance()
+            sage: x,y = J.random_elements(2)
+            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(field=QQ):
     """
     Return a "random" finite-dimensional Euclidean Jordan Algebra.
 
@@ -771,397 +877,187 @@ def random_eja():
         Euclidean Jordan algebra of dimension...
 
     """
+    classname = choice(KnownRankEJA.__subclasses__())
+    return classname.random_instance(field=field)
 
-    # 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)
 
 
 
-def _real_symmetric_basis(n, field=QQ):
-    """
-    Return a basis for the space of real symmetric n-by-n matrices.
-    """
-    # The basis of symmetric matrices, as matrices, in their R^(n-by-n)
-    # coordinates.
-    S = []
-    for i in xrange(n):
-        for j in xrange(i+1):
-            Eij = matrix(field, n, lambda k,l: k==i and l==j)
-            if i == j:
-                Sij = Eij
-            else:
-                # Beware, orthogonal but not normalized!
-                Sij = Eij + Eij.transpose()
-            S.append(Sij)
-    return tuple(S)
 
 
-def _complex_hermitian_basis(n, field=QQ):
-    """
-    Returns a basis for the space of complex Hermitian n-by-n matrices.
-
-    SETUP::
+class MatrixEuclideanJordanAlgebra(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        # Play it safe, since this will be squared and the underlying
+        # field can have dimension 4 (quaternions) too.
+        return 2
 
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _complex_hermitian_basis
-
-    TESTS::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: all( M.is_symmetric() for M in _complex_hermitian_basis(n) )
-        True
-
-    """
-    F = QuadraticField(-1, 'I')
-    I = F.gen()
-
-    # This is like the symmetric case, but we need to be careful:
-    #
-    #   * We want conjugate-symmetry, not just symmetry.
-    #   * The diagonal will (as a result) be real.
-    #
-    S = []
-    for i in xrange(n):
-        for j in xrange(i+1):
-            Eij = matrix(field, 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.
-                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)
-
-
-def _quaternion_hermitian_basis(n, field=QQ):
-    """
-    Returns a basis for the space of quaternion Hermitian n-by-n matrices.
-
-    SETUP::
-
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _quaternion_hermitian_basis
-
-    TESTS::
+    def __init__(self, field, basis, rank, normalize_basis=True, **kwargs):
+        """
+        Compared to the superclass constructor, we take a basis instead of
+        a multiplication table because the latter can be computed in terms
+        of the former when the product is known (like it is here).
+        """
+        # Used in this class's fast _charpoly_coeff() override.
+        self._basis_normalizers = None
+
+        # We're going to loop through this a few times, so now's a good
+        # time to ensure that it isn't a generator expression.
+        basis = tuple(basis)
+
+        if rank > 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 = field.extension(p, 'sqrt2', embedding=RLF(2).sqrt())
+                basis = tuple( s.change_ring(field) for s in basis )
+            self._basis_normalizers = tuple(
+                ~(self.natural_inner_product(s,s).sqrt()) for s in basis )
+            basis = tuple(s*c for (s,c) in izip(basis,self._basis_normalizers))
+
+        Qs = self.multiplication_table_from_matrix_basis(basis)
+
+        fdeja = super(MatrixEuclideanJordanAlgebra, self)
+        return fdeja.__init__(field,
+                              Qs,
+                              rank=rank,
+                              natural_basis=basis,
+                              **kwargs)
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(1,5)
-        sage: all( M.is_symmetric() for M in _quaternion_hermitian_basis(n) )
-        True
 
-    """
-    Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
-    I,J,K = Q.gens()
-
-    # This is like the symmetric case, but we need to be careful:
-    #
-    #   * We want conjugate-symmetry, not just symmetry.
-    #   * The diagonal will (as a result) be real.
-    #
-    S = []
-    for i in xrange(n):
-        for j in xrange(i+1):
-            Eij = matrix(Q, n, lambda k,l: k==i and l==j)
-            if i == j:
-                Sij = _embed_quaternion_matrix(Eij)
-                S.append(Sij)
+    @cached_method
+    def _charpoly_coeff(self, i):
+        """
+        Override the parent method with something that tries to compute
+        over a faster (non-extension) field.
+        """
+        if self._basis_normalizers is None:
+            # We didn't normalize, so assume that the basis we started
+            # with had entries in a nice field.
+            return super(MatrixEuclideanJordanAlgebra, self)._charpoly_coeff(i)
+        else:
+            basis = ( (b/n) for (b,n) in izip(self.natural_basis(),
+                                              self._basis_normalizers) )
+
+            # Do this over the rationals and convert back at the end.
+            J = MatrixEuclideanJordanAlgebra(QQ,
+                                             basis,
+                                             self.rank(),
+                                             normalize_basis=False)
+            (_,x,_,_) = J._charpoly_matrix_system()
+            p = J._charpoly_coeff(i)
+            # p might be missing some vars, have to substitute "optionally"
+            pairs = izip(x.base_ring().gens(), self._basis_normalizers)
+            substitutions = { v: v*c for (v,c) in pairs }
+            result = p.subs(substitutions)
+
+            # The result of "subs" can be either a coefficient-ring
+            # element or a polynomial. Gotta handle both cases.
+            if result in QQ:
+                return self.base_ring()(result)
             else:
-                # Beware, orthogonal but not normalized! The second,
-                # third, and fourth ones have a minus because they're
-                # conjugated.
-                Sij_real = _embed_quaternion_matrix(Eij + Eij.transpose())
-                S.append(Sij_real)
-                Sij_I = _embed_quaternion_matrix(I*Eij - I*Eij.transpose())
-                S.append(Sij_I)
-                Sij_J = _embed_quaternion_matrix(J*Eij - J*Eij.transpose())
-                S.append(Sij_J)
-                Sij_K = _embed_quaternion_matrix(K*Eij - K*Eij.transpose())
-                S.append(Sij_K)
-    return tuple(S)
-
-
-
-def _multiplication_table_from_matrix_basis(basis):
-    """
-    At least three of the five simple Euclidean Jordan algebras have the
-    symmetric multiplication (A,B) |-> (AB + BA)/2, where the
-    multiplication on the right is matrix multiplication. Given a basis
-    for the underlying matrix space, this function returns a
-    multiplication table (obtained by looping through the basis
-    elements) for an algebra of those matrices.
-    """
-    # In S^2, for example, we nominally have four coordinates even
-    # though the space is of dimension three only. The vector space V
-    # is supposed to hold the entire long vector, and the subspace W
-    # of V will be spanned by the vectors that arise from symmetric
-    # matrices. Thus for S^2, dim(V) == 4 and dim(W) == 3.
-    field = basis[0].base_ring()
-    dimension = basis[0].nrows()
-
-    V = VectorSpace(field, dimension**2)
-    W = V.span_of_basis( _mat2vec(s) for s in basis )
-    n = len(basis)
-    mult_table = [[W.zero() for j in range(n)] for i in range(n)]
-    for i in range(n):
-        for j in range(n):
-            mat_entry = (basis[i]*basis[j] + basis[j]*basis[i])/2
-            mult_table[i][j] = W.coordinate_vector(_mat2vec(mat_entry))
-
-    return mult_table
-
-
-def _embed_complex_matrix(M):
-    """
-    Embed the n-by-n complex matrix ``M`` into the space of real
-    matrices of size 2n-by-2n via the map the sends each entry `z = a +
-    bi` to the block matrix ``[[a,b],[-b,a]]``.
+                return result.change_ring(self.base_ring())
 
-    SETUP::
-
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _embed_complex_matrix
-
-    EXAMPLES::
-
-        sage: F = QuadraticField(-1,'i')
-        sage: x1 = F(4 - 2*i)
-        sage: x2 = F(1 + 2*i)
-        sage: x3 = F(-i)
-        sage: x4 = F(6)
-        sage: M = matrix(F,2,[[x1,x2],[x3,x4]])
-        sage: _embed_complex_matrix(M)
-        [ 4 -2| 1  2]
-        [ 2  4|-2  1]
-        [-----+-----]
-        [ 0 -1| 6  0]
-        [ 1  0| 0  6]
-
-    TESTS:
-
-    Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(5)
-        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)
-        sage: expected = _embed_complex_matrix(X*Y)
-        sage: actual == expected
-        True
-
-    """
-    n = M.nrows()
-    if M.ncols() != n:
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
-    field = M.base_ring()
-    blocks = []
-    for z in M.list():
-        a = z.real()
-        b = z.imag()
-        blocks.append(matrix(field, 2, [[a,b],[-b,a]]))
-
-    # We can drop the imaginaries here.
-    return matrix.block(field.base_ring(), n, blocks)
-
-
-def _unembed_complex_matrix(M):
-    """
-    The inverse of _embed_complex_matrix().
-
-    SETUP::
-
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import (_embed_complex_matrix,
-        ....:                                  _unembed_complex_matrix)
-
-    EXAMPLES::
-
-        sage: A = matrix(QQ,[ [ 1,  2,   3,  4],
-        ....:                 [-2,  1,  -4,  3],
-        ....:                 [ 9,  10, 11, 12],
-        ....:                 [-10, 9, -12, 11] ])
-        sage: _unembed_complex_matrix(A)
-        [  2*i + 1   4*i + 3]
-        [ 10*i + 9 12*i + 11]
-
-    TESTS:
-
-    Unembedding is the inverse of embedding::
-
-        sage: set_random_seed()
-        sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
-        sage: M = random_matrix(F, 3)
-        sage: _unembed_complex_matrix(_embed_complex_matrix(M)) == M
-        True
-
-    """
-    n = ZZ(M.nrows())
-    if M.ncols() != n:
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
-    if not n.mod(2).is_zero():
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
-
-    F = QuadraticField(-1, 'i')
-    i = F.gen()
-
-    # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
-    # 2-by-2 block we see to a single complex element.
-    elements = []
-    for k in xrange(n/2):
-        for j in xrange(n/2):
-            submat = M[2*k:2*k+2,2*j:2*j+2]
-            if submat[0,0] != submat[1,1]:
-                raise ValueError('bad on-diagonal submatrix')
-            if submat[0,1] != -submat[1,0]:
-                raise ValueError('bad off-diagonal submatrix')
-            z = submat[0,0] + submat[0,1]*i
-            elements.append(z)
-
-    return matrix(F, n/2, elements)
-
-
-def _embed_quaternion_matrix(M):
-    """
-    Embed the n-by-n quaternion matrix ``M`` into the space of real
-    matrices of size 4n-by-4n by first sending each quaternion entry
-    `z = a + bi + cj + dk` to the block-complex matrix
-    ``[[a + bi, c+di],[-c + di, a-bi]]`, and then embedding those into
-    a real matrix.
 
-    SETUP::
+    @staticmethod
+    def multiplication_table_from_matrix_basis(basis):
+        """
+        At least three of the five simple Euclidean Jordan algebras have the
+        symmetric multiplication (A,B) |-> (AB + BA)/2, where the
+        multiplication on the right is matrix multiplication. Given a basis
+        for the underlying matrix space, this function returns a
+        multiplication table (obtained by looping through the basis
+        elements) for an algebra of those matrices.
+        """
+        # In S^2, for example, we nominally have four coordinates even
+        # though the space is of dimension three only. The vector space V
+        # is supposed to hold the entire long vector, and the subspace W
+        # of V will be spanned by the vectors that arise from symmetric
+        # matrices. Thus for S^2, dim(V) == 4 and dim(W) == 3.
+        field = basis[0].base_ring()
+        dimension = basis[0].nrows()
+
+        V = VectorSpace(field, dimension**2)
+        W = V.span_of_basis( _mat2vec(s) for s in basis )
+        n = len(basis)
+        mult_table = [[W.zero() for j in xrange(n)] for i in xrange(n)]
+        for i in xrange(n):
+            for j in xrange(n):
+                mat_entry = (basis[i]*basis[j] + basis[j]*basis[i])/2
+                mult_table[i][j] = W.coordinate_vector(_mat2vec(mat_entry))
+
+        return mult_table
+
+
+    @staticmethod
+    def real_embed(M):
+        """
+        Embed the matrix ``M`` into a space of real matrices.
 
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import _embed_quaternion_matrix
+        The matrix ``M`` can have entries in any field at the moment:
+        the real numbers, complex numbers, or quaternions. And although
+        they are not a field, we can probably support octonions at some
+        point, too. This function returns a real matrix that "acts like"
+        the original with respect to matrix multiplication; i.e.
 
-    EXAMPLES::
+          real_embed(M*N) = real_embed(M)*real_embed(N)
 
-        sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
-        sage: i,j,k = Q.gens()
-        sage: x = 1 + 2*i + 3*j + 4*k
-        sage: M = matrix(Q, 1, [[x]])
-        sage: _embed_quaternion_matrix(M)
-        [ 1  2  3  4]
-        [-2  1 -4  3]
-        [-3  4  1 -2]
-        [-4 -3  2  1]
+        """
+        raise NotImplementedError
 
-    Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: n = ZZ.random_element(5)
-        sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
-        sage: X = random_matrix(Q, n)
-        sage: Y = random_matrix(Q, n)
-        sage: actual = _embed_quaternion_matrix(X)*_embed_quaternion_matrix(Y)
-        sage: expected = _embed_quaternion_matrix(X*Y)
-        sage: actual == expected
-        True
+    @staticmethod
+    def real_unembed(M):
+        """
+        The inverse of :meth:`real_embed`.
+        """
+        raise NotImplementedError
 
-    """
-    quaternions = M.base_ring()
-    n = M.nrows()
-    if M.ncols() != n:
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
-
-    F = QuadraticField(-1, 'i')
-    i = F.gen()
-
-    blocks = []
-    for z in M.list():
-        t = z.coefficient_tuple()
-        a = t[0]
-        b = t[1]
-        c = t[2]
-        d = t[3]
-        cplx_matrix = matrix(F, 2, [[ a + b*i, c + d*i],
-                                    [-c + d*i, a - b*i]])
-        blocks.append(_embed_complex_matrix(cplx_matrix))
-
-    # We should have real entries by now, so use the realest field
-    # we've got for the return value.
-    return matrix.block(quaternions.base_ring(), n, blocks)
-
-
-def _unembed_quaternion_matrix(M):
-    """
-    The inverse of _embed_quaternion_matrix().
 
-    SETUP::
+    @classmethod
+    def natural_inner_product(cls,X,Y):
+        Xu = cls.real_unembed(X)
+        Yu = cls.real_unembed(Y)
+        tr = (Xu*Yu).trace()
 
-        sage: from mjo.eja.eja_algebra import (_embed_quaternion_matrix,
-        ....:                                  _unembed_quaternion_matrix)
+        if tr in RLF:
+            # It's real already.
+            return tr
 
-    EXAMPLES::
+        # Otherwise, try the thing that works for complex numbers; and
+        # if that doesn't work, the thing that works for quaternions.
+        try:
+            return tr.vector()[0] # real part, imag part is index 1
+        except AttributeError:
+            # A quaternions 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 tr.coefficient_tuple()[0]
 
-        sage: M = matrix(QQ, [[ 1,  2,  3,  4],
-        ....:                 [-2,  1, -4,  3],
-        ....:                 [-3,  4,  1, -2],
-        ....:                 [-4, -3,  2,  1]])
-        sage: _unembed_quaternion_matrix(M)
-        [1 + 2*i + 3*j + 4*k]
 
-    TESTS:
+class RealMatrixEuclideanJordanAlgebra(MatrixEuclideanJordanAlgebra):
+    @staticmethod
+    def real_embed(M):
+        """
+        The identity function, for embedding real matrices into real
+        matrices.
+        """
+        return M
 
-    Unembedding is the inverse of embedding::
+    @staticmethod
+    def real_unembed(M):
+        """
+        The identity function, for unembedding real matrices from real
+        matrices.
+        """
+        return M
 
-        sage: set_random_seed()
-        sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ, -1, -1)
-        sage: M = random_matrix(Q, 3)
-        sage: _unembed_quaternion_matrix(_embed_quaternion_matrix(M)) == M
-        True
 
-    """
-    n = ZZ(M.nrows())
-    if M.ncols() != n:
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
-    if not n.mod(4).is_zero():
-        raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
-
-    Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
-    i,j,k = Q.gens()
-
-    # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
-    # 4-by-4 block we see to a 2-by-2 complex block, to a 1-by-1
-    # quaternion block.
-    elements = []
-    for l in xrange(n/4):
-        for m in xrange(n/4):
-            submat = _unembed_complex_matrix(M[4*l:4*l+4,4*m:4*m+4])
-            if submat[0,0] != submat[1,1].conjugate():
-                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
-            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.
-def _matrix_ip(X,Y):
-    X_mat = X.natural_representation()
-    Y_mat = Y.natural_representation()
-    return (X_mat*Y_mat).trace()
-
-
-class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+class RealSymmetricEJA(RealMatrixEuclideanJordanAlgebra, KnownRankEJA):
     """
     The rank-n simple EJA consisting of real symmetric n-by-n
     matrices, the usual symmetric Jordan product, and the trace inner
@@ -1178,16 +1074,25 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: e0*e0
         e0
         sage: e1*e1
-        e0 + e2
+        1/2*e0 + 1/2*e2
         sage: e2*e2
         e2
 
+    In theory, our "field" can be any subfield of the reals::
+
+        sage: RealSymmetricEJA(2, AA)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 3 over Algebraic Real Field
+        sage: RealSymmetricEJA(2, RR)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 3 over Real Field with
+        53 bits of precision
+
     TESTS:
 
     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
@@ -1195,10 +1100,8 @@ 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: x = J.random_element()
-        sage: y = J.random_element()
+        sage: J = RealSymmetricEJA.random_instance()
+        sage: x,y = J.random_elements(2)
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
         sage: X = x.natural_representation()
         sage: Y = y.natural_representation()
@@ -1213,23 +1116,223 @@ class RealSymmetricEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: RealSymmetricEJA(3, prefix='q').gens()
         (q0, q1, q2, q3, q4, q5)
 
+    Our natural basis is normalized with respect to the natural inner
+    product unless we specify otherwise::
+
+        sage: set_random_seed()
+        sage: J = RealSymmetricEJA.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 = RealSymmetricEJA.random_instance().random_element()
+        sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
+        True
+
     """
+    @classmethod
+    def _denormalized_basis(cls, n, field):
+        """
+        Return a basis for the space of real symmetric n-by-n matrices.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import RealSymmetricEJA
+
+        TESTS::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+            sage: B = RealSymmetricEJA._denormalized_basis(n,QQ)
+            sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
+            True
+
+        """
+        # The basis of symmetric matrices, as matrices, in their R^(n-by-n)
+        # coordinates.
+        S = []
+        for i in xrange(n):
+            for j in xrange(i+1):
+                Eij = matrix(field, n, lambda k,l: k==i and l==j)
+                if i == j:
+                    Sij = Eij
+                else:
+                    Sij = Eij + Eij.transpose()
+                S.append(Sij)
+        return S
+
+
+    @staticmethod
+    def _max_test_case_size():
+        return 4 # Dimension 10
+
+
     def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
-        S = _real_symmetric_basis(n, field=field)
-        Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
+        basis = self._denormalized_basis(n, field)
+        super(RealSymmetricEJA, self).__init__(field, basis, n, **kwargs)
 
-        fdeja = super(RealSymmetricEJA, self)
-        return fdeja.__init__(field,
-                              Qs,
-                              rank=n,
-                              natural_basis=S,
-                              **kwargs)
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        return _matrix_ip(x,y)
+class ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra(MatrixEuclideanJordanAlgebra):
+    @staticmethod
+    def real_embed(M):
+        """
+        Embed the n-by-n complex matrix ``M`` into the space of real
+        matrices of size 2n-by-2n via the map the sends each entry `z = a +
+        bi` to the block matrix ``[[a,b],[-b,a]]``.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import \
+            ....:   ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra
+
+        EXAMPLES::
+
+            sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
+            sage: x1 = F(4 - 2*i)
+            sage: x2 = F(1 + 2*i)
+            sage: x3 = F(-i)
+            sage: x4 = F(6)
+            sage: M = matrix(F,2,[[x1,x2],[x3,x4]])
+            sage: ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(M)
+            [ 4 -2| 1  2]
+            [ 2  4|-2  1]
+            [-----+-----]
+            [ 0 -1| 6  0]
+            [ 1  0| 0  6]
+
+        TESTS:
+
+        Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: n_max = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra._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: Xe = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(X)
+            sage: Ye = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(Y)
+            sage: XYe = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(X*Y)
+            sage: Xe*Ye == XYe
+            True
+
+        """
+        n = M.nrows()
+        if M.ncols() != n:
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
+
+        # We don't need any adjoined elements...
+        field = M.base_ring().base_ring()
+
+        blocks = []
+        for z in M.list():
+            a = z.list()[0] # real part, I guess
+            b = z.list()[1] # imag part, I guess
+            blocks.append(matrix(field, 2, [[a,b],[-b,a]]))
+
+        return matrix.block(field, n, blocks)
+
+
+    @staticmethod
+    def real_unembed(M):
+        """
+        The inverse of _embed_complex_matrix().
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import \
+            ....:   ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra
+
+        EXAMPLES::
+
+            sage: A = matrix(QQ,[ [ 1,  2,   3,  4],
+            ....:                 [-2,  1,  -4,  3],
+            ....:                 [ 9,  10, 11, 12],
+            ....:                 [-10, 9, -12, 11] ])
+            sage: ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_unembed(A)
+            [  2*i + 1   4*i + 3]
+            [ 10*i + 9 12*i + 11]
+
+        TESTS:
+
+        Unembedding is the inverse of embedding::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: F = QuadraticField(-1, 'i')
+            sage: M = random_matrix(F, 3)
+            sage: Me = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(M)
+            sage: ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_unembed(Me) == M
+            True
+
+        """
+        n = ZZ(M.nrows())
+        if M.ncols() != n:
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
+        if not n.mod(2).is_zero():
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be a complex embedding")
+
+        # If "M" was normalized, its base ring might have roots
+        # adjoined and they can stick around after unembedding.
+        field = M.base_ring()
+        R = PolynomialRing(field, 'z')
+        z = R.gen()
+        F = field.extension(z**2 + 1, 'i', embedding=CLF(-1).sqrt())
+        i = F.gen()
+
+        # Go top-left to bottom-right (reading order), converting every
+        # 2-by-2 block we see to a single complex element.
+        elements = []
+        for k in xrange(n/2):
+            for j in xrange(n/2):
+                submat = M[2*k:2*k+2,2*j:2*j+2]
+                if submat[0,0] != submat[1,1]:
+                    raise ValueError('bad on-diagonal submatrix')
+                if submat[0,1] != -submat[1,0]:
+                    raise ValueError('bad off-diagonal submatrix')
+                z = submat[0,0] + submat[0,1]*i
+                elements.append(z)
+
+        return matrix(F, n/2, elements)
+
+
+    @classmethod
+    def natural_inner_product(cls,X,Y):
+        """
+        Compute a natural inner product in this algebra directly from
+        its real embedding.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import ComplexHermitianEJA
+
+        TESTS:
+
+        This gives the same answer as the slow, default method implemented
+        in :class:`MatrixEuclideanJordanAlgebra`::
 
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = ComplexHermitianEJA.random_instance()
+            sage: x,y = J.random_elements(2)
+            sage: Xe = x.natural_representation()
+            sage: Ye = y.natural_representation()
+            sage: X = ComplexHermitianEJA.real_unembed(Xe)
+            sage: Y = ComplexHermitianEJA.real_unembed(Ye)
+            sage: expected = (X*Y).trace().vector()[0]
+            sage: actual = ComplexHermitianEJA.natural_inner_product(Xe,Ye)
+            sage: actual == expected
+            True
 
-class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+        """
+        return RealMatrixEuclideanJordanAlgebra.natural_inner_product(X,Y)/2
+
+
+class ComplexHermitianEJA(ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra, KnownRankEJA):
     """
     The rank-n simple EJA consisting of complex Hermitian n-by-n
     matrices over the real numbers, the usual symmetric Jordan product,
@@ -1240,12 +1343,23 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
 
         sage: from mjo.eja.eja_algebra import ComplexHermitianEJA
 
+    EXAMPLES:
+
+    In theory, our "field" can be any subfield of the reals::
+
+        sage: ComplexHermitianEJA(2, AA)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 4 over Algebraic Real Field
+        sage: ComplexHermitianEJA(2, RR)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 4 over Real Field with
+        53 bits of precision
+
     TESTS:
 
     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
@@ -1253,10 +1367,8 @@ 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: x = J.random_element()
-        sage: y = J.random_element()
+        sage: J = ComplexHermitianEJA.random_instance()
+        sage: x,y = J.random_elements(2)
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
         sage: X = x.natural_representation()
         sage: Y = y.natural_representation()
@@ -1271,31 +1383,251 @@ class ComplexHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: ComplexHermitianEJA(2, prefix='z').gens()
         (z0, z1, z2, z3)
 
+    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):
-        S = _complex_hermitian_basis(n)
-        Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
 
-        fdeja = super(ComplexHermitianEJA, self)
-        return fdeja.__init__(field,
-                              Qs,
-                              rank=n,
-                              natural_basis=S,
-                              **kwargs)
+    @classmethod
+    def _denormalized_basis(cls, 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.
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        # Since a+bi on the diagonal is represented as
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import ComplexHermitianEJA
+
+        TESTS::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+            sage: field = QuadraticField(2, 'sqrt2')
+            sage: B = ComplexHermitianEJA._denormalized_basis(n, field)
+            sage: all( M.is_symmetric() for M in  B)
+            True
+
+        """
+        R = PolynomialRing(field, 'z')
+        z = R.gen()
+        F = field.extension(z**2 + 1, 'I')
+        I = F.gen()
+
+        # This is like the symmetric case, but we need to be careful:
         #
-        #   a + bi  = [  a  b  ]
-        #             [ -b  a  ],
+        #   * We want conjugate-symmetry, not just symmetry.
+        #   * The diagonal will (as a result) be real.
         #
-        # we'll double-count the "a" entries if we take the trace of
-        # the embedding.
-        return _matrix_ip(x,y)/2
+        S = []
+        for i in xrange(n):
+            for j in xrange(i+1):
+                Eij = matrix(F, n, lambda k,l: k==i and l==j)
+                if i == j:
+                    Sij = cls.real_embed(Eij)
+                    S.append(Sij)
+                else:
+                    # The second one has a minus because it's conjugated.
+                    Sij_real = cls.real_embed(Eij + Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_real)
+                    Sij_imag = cls.real_embed(I*Eij - I*Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_imag)
+
+        # Since we embedded these, we can drop back to the "field" that we
+        # started with instead of the complex extension "F".
+        return ( s.change_ring(field) for s in S )
 
 
-class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+    def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
+        basis = self._denormalized_basis(n,field)
+        super(ComplexHermitianEJA,self).__init__(field, basis, n, **kwargs)
+
+
+class QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra(MatrixEuclideanJordanAlgebra):
+    @staticmethod
+    def real_embed(M):
+        """
+        Embed the n-by-n quaternion matrix ``M`` into the space of real
+        matrices of size 4n-by-4n by first sending each quaternion entry `z
+        = a + bi + cj + dk` to the block-complex matrix ``[[a + bi,
+        c+di],[-c + di, a-bi]]`, and then embedding those into a real
+        matrix.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import \
+            ....:   QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra
+
+        EXAMPLES::
+
+            sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
+            sage: i,j,k = Q.gens()
+            sage: x = 1 + 2*i + 3*j + 4*k
+            sage: M = matrix(Q, 1, [[x]])
+            sage: QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(M)
+            [ 1  2  3  4]
+            [-2  1 -4  3]
+            [-3  4  1 -2]
+            [-4 -3  2  1]
+
+        Embedding is a homomorphism (isomorphism, in fact)::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: n_max = QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra._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)
+            sage: Xe = QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(X)
+            sage: Ye = QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(Y)
+            sage: XYe = QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(X*Y)
+            sage: Xe*Ye == XYe
+            True
+
+        """
+        quaternions = M.base_ring()
+        n = M.nrows()
+        if M.ncols() != n:
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
+
+        F = QuadraticField(-1, 'i')
+        i = F.gen()
+
+        blocks = []
+        for z in M.list():
+            t = z.coefficient_tuple()
+            a = t[0]
+            b = t[1]
+            c = t[2]
+            d = t[3]
+            cplxM = matrix(F, 2, [[ a + b*i, c + d*i],
+                                 [-c + d*i, a - b*i]])
+            realM = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(cplxM)
+            blocks.append(realM)
+
+        # We should have real entries by now, so use the realest field
+        # we've got for the return value.
+        return matrix.block(quaternions.base_ring(), n, blocks)
+
+
+
+    @staticmethod
+    def real_unembed(M):
+        """
+        The inverse of _embed_quaternion_matrix().
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import \
+            ....:   QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra
+
+        EXAMPLES::
+
+            sage: M = matrix(QQ, [[ 1,  2,  3,  4],
+            ....:                 [-2,  1, -4,  3],
+            ....:                 [-3,  4,  1, -2],
+            ....:                 [-4, -3,  2,  1]])
+            sage: QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_unembed(M)
+            [1 + 2*i + 3*j + 4*k]
+
+        TESTS:
+
+        Unembedding is the inverse of embedding::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: Q = QuaternionAlgebra(QQ, -1, -1)
+            sage: M = random_matrix(Q, 3)
+            sage: Me = QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_embed(M)
+            sage: QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_unembed(Me) == M
+            True
+
+        """
+        n = ZZ(M.nrows())
+        if M.ncols() != n:
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be square")
+        if not n.mod(4).is_zero():
+            raise ValueError("the matrix 'M' must be a quaternion embedding")
+
+        # 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
+        # 4-by-4 block we see to a 2-by-2 complex block, to a 1-by-1
+        # quaternion block.
+        elements = []
+        for l in xrange(n/4):
+            for m in xrange(n/4):
+                submat = ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra.real_unembed(
+                    M[4*l:4*l+4,4*m:4*m+4] )
+                if submat[0,0] != submat[1,1].conjugate():
+                    raise ValueError('bad on-diagonal submatrix')
+                if submat[0,1] != -submat[1,0].conjugate():
+                    raise ValueError('bad off-diagonal submatrix')
+                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)
+
+
+    @classmethod
+    def natural_inner_product(cls,X,Y):
+        """
+        Compute a natural inner product in this algebra directly from
+        its real embedding.
+
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import QuaternionHermitianEJA
+
+        TESTS:
+
+        This gives the same answer as the slow, default method implemented
+        in :class:`MatrixEuclideanJordanAlgebra`::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: J = QuaternionHermitianEJA.random_instance()
+            sage: x,y = J.random_elements(2)
+            sage: Xe = x.natural_representation()
+            sage: Ye = y.natural_representation()
+            sage: X = QuaternionHermitianEJA.real_unembed(Xe)
+            sage: Y = QuaternionHermitianEJA.real_unembed(Ye)
+            sage: expected = (X*Y).trace().coefficient_tuple()[0]
+            sage: actual = QuaternionHermitianEJA.natural_inner_product(Xe,Ye)
+            sage: actual == expected
+            True
+
+        """
+        return RealMatrixEuclideanJordanAlgebra.natural_inner_product(X,Y)/4
+
+
+class QuaternionHermitianEJA(QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra,
+                             KnownRankEJA):
     """
     The rank-n simple EJA consisting of self-adjoint n-by-n quaternion
     matrices, the usual symmetric Jordan product, and the
@@ -1306,12 +1638,23 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
 
         sage: from mjo.eja.eja_algebra import QuaternionHermitianEJA
 
+    EXAMPLES:
+
+    In theory, our "field" can be any subfield of the reals::
+
+        sage: QuaternionHermitianEJA(2, AA)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 6 over Algebraic Real Field
+        sage: QuaternionHermitianEJA(2, RR)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 6 over Real Field with
+        53 bits of precision
+
     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
@@ -1319,10 +1662,8 @@ 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: x = J.random_element()
-        sage: y = J.random_element()
+        sage: J = QuaternionHermitianEJA.random_instance()
+        sage: x,y = J.random_elements(2)
         sage: actual = (x*y).natural_representation()
         sage: X = x.natural_representation()
         sage: Y = y.natural_representation()
@@ -1337,32 +1678,88 @@ class QuaternionHermitianEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         sage: QuaternionHermitianEJA(2, prefix='a').gens()
         (a0, a1, a2, a3, a4, a5)
 
+    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):
-        S = _quaternion_hermitian_basis(n)
-        Qs = _multiplication_table_from_matrix_basis(S)
+    @classmethod
+    def _denormalized_basis(cls, n, field):
+        """
+        Returns a basis for the space of quaternion Hermitian n-by-n matrices.
 
-        fdeja = super(QuaternionHermitianEJA, self)
-        return fdeja.__init__(field,
-                              Qs,
-                              rank=n,
-                              natural_basis=S,
-                              **kwargs)
+        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.
 
-    def inner_product(self, x, y):
-        # Since a+bi+cj+dk on the diagonal is represented as
+        SETUP::
+
+            sage: from mjo.eja.eja_algebra import QuaternionHermitianEJA
+
+        TESTS::
+
+            sage: set_random_seed()
+            sage: n = ZZ.random_element(1,5)
+            sage: B = QuaternionHermitianEJA._denormalized_basis(n,QQ)
+            sage: all( M.is_symmetric() for M in B )
+            True
+
+        """
+        Q = QuaternionAlgebra(QQ,-1,-1)
+        I,J,K = Q.gens()
+
+        # This is like the symmetric case, but we need to be careful:
         #
-        #   a + bi +cj + dk = [  a  b  c  d]
-        #                     [ -b  a -d  c]
-        #                     [ -c  d  a -b]
-        #                     [ -d -c  b  a],
+        #   * We want conjugate-symmetry, not just symmetry.
+        #   * The diagonal will (as a result) be real.
         #
-        # we'll quadruple-count the "a" entries if we take the trace of
-        # the embedding.
-        return _matrix_ip(x,y)/4
+        S = []
+        for i in xrange(n):
+            for j in xrange(i+1):
+                Eij = matrix(Q, n, lambda k,l: k==i and l==j)
+                if i == j:
+                    Sij = cls.real_embed(Eij)
+                    S.append(Sij)
+                else:
+                    # The second, third, and fourth ones have a minus
+                    # because they're conjugated.
+                    Sij_real = cls.real_embed(Eij + Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_real)
+                    Sij_I = cls.real_embed(I*Eij - I*Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_I)
+                    Sij_J = cls.real_embed(J*Eij - J*Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_J)
+                    Sij_K = cls.real_embed(K*Eij - K*Eij.transpose())
+                    S.append(Sij_K)
+
+        # Since we embedded these, we can drop back to the "field" that we
+        # started with instead of the quaternion algebra "Q".
+        return ( s.change_ring(field) for s in S )
 
 
-class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
+    def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
+        basis = self._denormalized_basis(n,field)
+        super(QuaternionHermitianEJA,self).__init__(field, basis, n, **kwargs)
+
+
+class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra, KnownRankEJA):
     """
     The rank-2 simple EJA consisting of real vectors ``x=(x0, x_bar)``
     with the usual inner product and jordan product ``x*y =
@@ -1402,9 +1799,9 @@ class JordanSpinEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     """
     def __init__(self, n, field=QQ, **kwargs):
         V = VectorSpace(field, n)
-        mult_table = [[V.zero() for j in range(n)] for i in range(n)]
-        for i in range(n):
-            for j in range(n):
+        mult_table = [[V.zero() for j in xrange(n)] for i in xrange(n)]
+        for i in xrange(n):
+            for j in xrange(n):
                 x = V.gen(i)
                 y = V.gen(j)
                 x0 = x[0]
@@ -1424,4 +1821,25 @@ 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,y = J.random_elements(2)
+            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())