]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/eja/eja_algebra.py
eja: make random_element() more random.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_algebra.py
index fc64510dde701f7f820456d9972691fe07f71178..91088a2eb799ce616bfffc5ee3e3980afe17f4ac 100644 (file)
@@ -236,10 +236,12 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return self._multiplication_table[i][j]
 
     @cached_method
-    def characteristic_polynomial(self):
+    def characteristic_polynomial_of(self):
         """
-        Return a characteristic polynomial that works for all elements
-        of this algebra.
+        Return the algebra's "characteristic polynomial of" function,
+        which is itself a multivariate polynomial that, when evaluated
+        at the coordinates of some algebra element, returns that
+        element's characteristic polynomial.
 
         The resulting polynomial has `n+1` variables, where `n` is the
         dimension of this algebra. The first `n` variables correspond to
@@ -259,7 +261,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         Alizadeh, Example 11.11::
 
             sage: J = JordanSpinEJA(3)
-            sage: p = J.characteristic_polynomial(); p
+            sage: p = J.characteristic_polynomial_of(); p
             X1^2 - X2^2 - X3^2 + (-2*t)*X1 + t^2
             sage: xvec = J.one().to_vector()
             sage: p(*xvec)
@@ -272,7 +274,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         any argument::
 
             sage: J = TrivialEJA()
-            sage: J.characteristic_polynomial()
+            sage: J.characteristic_polynomial_of()
             1
 
         """
@@ -438,8 +440,15 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         """
         Return the matrix space in which this algebra's natural basis
         elements live.
+
+        Generally this will be an `n`-by-`1` column-vector space,
+        except when the algebra is trivial. There it's `n`-by-`n`
+        (where `n` is zero), to ensure that two elements of the
+        natural basis space (empty matrices) can be multiplied.
         """
-        if self._natural_basis is None or len(self._natural_basis) == 0:
+        if self.is_trivial():
+            return MatrixSpace(self.base_ring(), 0)
+        elif self._natural_basis is None or len(self._natural_basis) == 0:
             return MatrixSpace(self.base_ring(), self.dimension(), 1)
         else:
             return self._natural_basis[0].matrix_space()
@@ -572,6 +581,25 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             Vector space of degree 6 and dimension 2...
             sage: J1
             Euclidean Jordan algebra of dimension 3...
+            sage: J0.one().natural_representation()
+            [0 0 0]
+            [0 0 0]
+            [0 0 1]
+            sage: orig_df = AA.options.display_format
+            sage: AA.options.display_format = 'radical'
+            sage: J.from_vector(J5.basis()[0]).natural_representation()
+            [          0           0 1/2*sqrt(2)]
+            [          0           0           0]
+            [1/2*sqrt(2)           0           0]
+            sage: J.from_vector(J5.basis()[1]).natural_representation()
+            [          0           0           0]
+            [          0           0 1/2*sqrt(2)]
+            [          0 1/2*sqrt(2)           0]
+            sage: AA.options.display_format = orig_df
+            sage: J1.one().natural_representation()
+            [1 0 0]
+            [0 1 0]
+            [0 0 0]
 
         TESTS:
 
@@ -586,9 +614,10 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             sage: J1.superalgebra() == J and J1.dimension() == J.dimension()
             True
 
-        The identity elements in the two subalgebras are the
-        projections onto their respective subspaces of the
-        superalgebra's identity element::
+        The decomposition is into eigenspaces, and its components are
+        therefore necessarily orthogonal. Moreover, the identity
+        elements in the two subalgebras are the projections onto their
+        respective subspaces of the superalgebra's identity element::
 
             sage: set_random_seed()
             sage: J = random_eja()
@@ -598,6 +627,16 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             ....:         x = J.random_element()
             sage: c = x.subalgebra_idempotent()
             sage: J0,J5,J1 = J.peirce_decomposition(c)
+            sage: ipsum = 0
+            sage: for (w,y,z) in zip(J0.basis(), J5.basis(), J1.basis()):
+            ....:     w = w.superalgebra_element()
+            ....:     y = J.from_vector(y)
+            ....:     z = z.superalgebra_element()
+            ....:     ipsum += w.inner_product(y).abs()
+            ....:     ipsum += w.inner_product(z).abs()
+            ....:     ipsum += y.inner_product(z).abs()
+            sage: ipsum
+            0
             sage: J1(c) == J1.one()
             True
             sage: J0(J.one() - c) == J0.one()
@@ -633,10 +672,57 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         return (J0, J5, J1)
 
 
-    def random_elements(self, count):
+    def random_element(self, thorough=False):
+        r"""
+        Return a random element of this algebra.
+
+        Our algebra superclass method only returns a linear
+        combination of at most two basis elements. We instead
+        want the vector space "random element" method that
+        returns a more diverse selection.
+
+        INPUT:
+
+        - ``thorough`` -- (boolean; default False) whether or not we
+          should generate irrational coefficients for the random
+          element when our base ring is irrational; this slows the
+          algebra operations to a crawl, but any truly random method
+          should include them
+
+        """
+        # For a general base ring... maybe we can trust this to do the
+        # right thing? Unlikely, but.
+        V = self.vector_space()
+        v = V.random_element()
+
+        if self.base_ring() is AA:
+            # The "random element" method of the algebraic reals is
+            # stupid at the moment, and only returns integers between
+            # -2 and 2, inclusive. Instead, we implement our own
+            # "random vector" method, and then coerce that into the
+            # algebra. We use the vector space degree here instead of
+            # the dimension because a subalgebra could (for example) be
+            # spanned by only two vectors, each with five coordinates.
+            # We need to generate all five coordinates.
+            if thorough:
+                v *= QQbar.random_element().real()
+            else:
+                v *= QQ.random_element()
+
+        return self.from_vector(V.coordinate_vector(v))
+
+    def random_elements(self, count, thorough=False):
         """
         Return ``count`` random elements as a tuple.
 
+        INPUT:
+
+        - ``thorough`` -- (boolean; default False) whether or not we
+          should generate irrational coefficients for the random
+          elements when our base ring is irrational; this slows the
+          algebra operations to a crawl, but any truly random method
+          should include them
+
         SETUP::
 
             sage: from mjo.eja.eja_algebra import JordanSpinEJA
@@ -651,7 +737,8 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             True
 
         """
-        return tuple( self.random_element() for idx in range(count) )
+        return tuple( self.random_element(thorough)
+                      for idx in range(count) )
 
     @classmethod
     def random_instance(cls, field=AA, **kwargs):
@@ -666,7 +753,7 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
             # there's only one.
             return cls(field)
 
-        n = ZZ.random_element(cls._max_test_case_size()) + 1
+        n = ZZ.random_element(cls._max_test_case_size() + 1)
         return cls(n, field, **kwargs)
 
     @cached_method
@@ -688,6 +775,14 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
                         for k in range(n) )
 
         L_x = matrix(F, n, n, L_x_i_j)
+
+        r = None
+        if self.rank.is_in_cache():
+            r = self.rank()
+            # There's no need to pad the system with redundant
+            # columns if we *know* they'll be redundant.
+            n = r
+
         # Compute an extra power in case the rank is equal to
         # the dimension (otherwise, we would stop at x^(r-1)).
         x_powers = [ (L_x**k)*self.one().to_vector()
@@ -696,7 +791,8 @@ class FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra(CombinatorialFreeModule):
         AE = A.extended_echelon_form()
         E = AE[:,n:]
         A_rref = AE[:,:n]
-        r = A_rref.rank()
+        if r is None:
+            r = A_rref.rank()
         b = x_powers[r]
 
         # The theory says that only the first "r" coefficients are
@@ -894,7 +990,7 @@ class HadamardEJA(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         return x.to_vector().inner_product(y.to_vector())
 
 
-def random_eja(field=AA, nontrivial=False):
+def random_eja(field=AA):
     """
     Return a "random" finite-dimensional Euclidean Jordan Algebra.
 
@@ -908,21 +1004,17 @@ def random_eja(field=AA, nontrivial=False):
         Euclidean Jordan algebra of dimension...
 
     """
-    eja_classes = [HadamardEJA,
-                   JordanSpinEJA,
-                   RealSymmetricEJA,
-                   ComplexHermitianEJA,
-                   QuaternionHermitianEJA]
-    if not nontrivial:
-        eja_classes.append(TrivialEJA)
-    classname = choice(eja_classes)
+    classname = choice([TrivialEJA,
+                        HadamardEJA,
+                        JordanSpinEJA,
+                        RealSymmetricEJA,
+                        ComplexHermitianEJA,
+                        QuaternionHermitianEJA])
     return classname.random_instance(field=field)
 
 
 
 
-
-
 class MatrixEuclideanJordanAlgebra(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
     @staticmethod
     def _max_test_case_size():
@@ -984,7 +1076,26 @@ class MatrixEuclideanJordanAlgebra(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
             J = MatrixEuclideanJordanAlgebra(QQ,
                                              basis,
                                              normalize_basis=False)
-            return J._charpoly_coefficients()
+            a = J._charpoly_coefficients()
+
+            # Unfortunately, changing the basis does change the
+            # coefficients of the characteristic polynomial, but since
+            # these are really the coefficients of the "characteristic
+            # polynomial of" function, everything is still nice and
+            # unevaluated. It's therefore "obvious" how scaling the
+            # basis affects the coordinate variables X1, X2, et
+            # cetera. Scaling the first basis vector up by "n" adds a
+            # factor of 1/n into every "X1" term, for example. So here
+            # we simply undo the basis_normalizer scaling that we
+            # performed earlier.
+            #
+            # The a[0] access here is safe because trivial algebras
+            # won't have any basis normalizers and therefore won't
+            # make it to this "else" branch.
+            XS = a[0].parent().gens()
+            subs_dict = { XS[i]: self._basis_normalizers[i]*XS[i]
+                          for i in range(len(XS)) }
+            return tuple( a_i.subs(subs_dict) for a_i in a )
 
 
     @staticmethod
@@ -1002,6 +1113,9 @@ class MatrixEuclideanJordanAlgebra(FiniteDimensionalEuclideanJordanAlgebra):
         # 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.
+        if len(basis) == 0:
+            return []
+
         field = basis[0].base_ring()
         dimension = basis[0].nrows()
 
@@ -1159,6 +1273,11 @@ class RealSymmetricEJA(RealMatrixEuclideanJordanAlgebra):
         sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
         True
 
+    We can construct the (trivial) algebra of rank zero::
+
+        sage: RealSymmetricEJA(0)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 0 over Algebraic Real Field
+
     """
     @classmethod
     def _denormalized_basis(cls, n, field):
@@ -1432,6 +1551,11 @@ class ComplexHermitianEJA(ComplexMatrixEuclideanJordanAlgebra):
         sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
         True
 
+    We can construct the (trivial) algebra of rank zero::
+
+        sage: ComplexHermitianEJA(0)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 0 over Algebraic Real Field
+
     """
 
     @classmethod
@@ -1727,6 +1851,11 @@ class QuaternionHermitianEJA(QuaternionMatrixEuclideanJordanAlgebra):
         sage: x.operator().matrix().is_symmetric()
         True
 
+    We can construct the (trivial) algebra of rank zero::
+
+        sage: QuaternionHermitianEJA(0)
+        Euclidean Jordan algebra of dimension 0 over Algebraic Real Field
+
     """
     @classmethod
     def _denormalized_basis(cls, n, field):