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mjo/matrix_vector: replace matrix_of_transformation with basis_repr_of_operator.
[sage.d.git] / mjo / matrix_vector.py
index 055e4aa9d62dd40b6bf082b19bfb0aa2f199444d..83bf313a82cde7c689d10337efff8054301acad7 100644 (file)
@@ -7,92 +7,179 @@ two vector spaces often.
 """
 
 from sage.all import *
+from sage.matrix.matrix_space import is_MatrixSpace
 
-def isomorphism(matrix_space):
+def _mat2vec(m):
+    return vector(m.base_ring(), m.list())
+
+def basis_representation(M):
     """
-    Create isomorphism (i.e. the function) that converts elements
-    of a matrix space into those of the corresponding finite-dimensional
-    vector space.
+    Return the forward (``MatrixSpace`` -> ``VectorSpace``) and
+    inverse isometries, as a pair, that take elements of the given
+    ``MatrixSpace`` `M` to their representations as "long vectors,"
+    and vice-versa.
+
+    The argument ``M`` can be either a ``MatrixSpace`` or a basis for
+    a space of matrices. This function is needed because SageMath does
+    not know that matrix spaces are vector spaces, and therefore
+    cannot perform common operations with them -- like computing the
+    basis representation of an element.
+
+    Moreover, the ability to pass in a basis (rather than a
+    ``MatrixSpace``) is needed because SageMath has no way to express
+    that e.g. a (sub)space of symmetric matrices is itself a
+    ``MatrixSpace``.
 
     INPUT:
 
-    - matrix_space: A finite-dimensional ``MatrixSpace`` object.
+    - ``M`` -- Either a ``MatrixSpace``, or a list of matrices that form
+               a basis for a matrix space.
 
     OUTPUT:
 
-    - (phi, phi_inverse): If ``matrix_space`` has dimension m*n, then
-                          ``phi`` will map m-by-n matrices to R^(m*n).
-                          The inverse mapping ``phi_inverse`` will go
-                          the other way.
+    A pair of isometries ``(phi, phi_inv)``.
+
+    If the matrix space associated with `M` has dimension `n`, then
+    ``phi`` will map its elements to vectors of length `n` over the
+    same base ring. The inverse map ``phi_inv`` reverses that
+    operation.
 
     SETUP::
 
-        sage: from mjo.matrix_vector import isomorphism
+        sage: from mjo.matrix_vector import basis_representation
+
+    EXAMPLES:
+
+    This function computes the correct coordinate representations (of
+    length 3) for a basis of the space of two-by-two symmetric
+    matrices, the the inverse does indeed invert the process::
+
+        sage: E11 = matrix(QQbar,[ [1,0],
+        ....:                      [0,0] ])
+        sage: E12 = matrix(QQbar,[ [0, 1/sqrt(2)],
+        ....:                      [1/sqrt(2), 0] ])
+        sage: E22 = matrix(QQbar,[ [0,0],
+        ....:                      [0,1] ])
+        sage: basis = [E11, E12, E22]
+        sage: phi, phi_inv = basis_representation(basis)
+        sage: phi(E11); phi(E12); phi(E22)
+        (1, 0, 0)
+        (0, 1, 0)
+        (0, 0, 1)
+        sage: phi_inv(phi(E11)) == E11
+        True
+        sage: phi_inv(phi(E12)) == E12
+        True
+        sage: phi_inv(phi(E22)) == E22
+        True
+
+    MatrixSpace arguments work too::
+
+        sage: M = MatrixSpace(QQ,2)
+        sage: phi, phi_inv = basis_representation(M)
+        sage: X = matrix(QQ, [ [1,2],
+        ....:                  [3,4] ])
+        sage: phi(X)
+        (1, 2, 3, 4)
+        sage: phi_inv(phi(X)) == X
+        True
+
+    TESTS:
 
-    EXAMPLES::
+    The inverse is generally an inverse::
 
-        sage: M = MatrixSpace(QQ,4,4)
-        sage: (p, p_inv) = isomorphism(M)
-        sage: m = M(range(0,16))
-        sage: p_inv(p(m)) == m
+        sage: set_random_seed()
+        sage: n = ZZ.random_element(10)
+        sage: M = MatrixSpace(QQ,n)
+        sage: X = M.random_element()
+        sage: (phi, phi_inv) = basis_representation(M)
+        sage: phi_inv(phi(X)) == X
         True
 
     """
-    from sage.matrix.matrix_space import is_MatrixSpace
-    if not is_MatrixSpace(matrix_space):
-        raise TypeError('argument must be a matrix space')
+    if is_MatrixSpace(M):
+        basis_space = M
+        basis = list(M.basis())
+    else:
+        basis_space = M[0].matrix_space()
+        basis = M
 
-    base_ring = matrix_space.base_ring()
-    vector_space = VectorSpace(base_ring, matrix_space.dimension())
+    def phi(X):
+        """
+        The isometry sending ``X`` to its representation as a long vector.
+        """
+        if X not in basis_space:
+            raise ValueError("X does not live in the domain of phi")
 
-    def phi(m):
-        return vector_space(m.list())
+        V = VectorSpace(basis_space.base_ring(), X.nrows()*X.ncols())
+        W = V.span_of_basis( _mat2vec(s) for s in basis )
+        return W.coordinate_vector(_mat2vec(X))
 
-    def phi_inverse(v):
-        return matrix_space(v.list())
+    def phi_inv(Y):
+        """
+        The isometry sending the long vector `Y` to an element of either
+        `M` or the span of `M` (depending on whether or not ``M``
+        is a ``MatrixSpace`` or a basis).
+        """
+        return basis_space.linear_combination( zip(Y,basis) )
 
-    return (phi, phi_inverse)
+    return (phi, phi_inv)
 
 
 
-def matrix_of_transformation(T, V):
+def basis_repr_of_operator(M, L):
     """
-    Compute the matrix of a linear transformation ``T``, `$T : V
-    \rightarrow V$` with domain/range ``V``. This essentially uses the
-    Riesz representation theorem to represent the entries of the matrix
-    of ``T`` in terms of inner products.
+    Return the matrix of the operator `L` with respect to the basis
+    `M` if `M` is a list of basis vectors for a matrix space; or with
+    respect to the standard basis of `M` if `M` is a ``MatrixSpace``.
 
-    INPUT:
+    This function is necessary because SageMath does not know that
+    matrix spaces are vector spaces, and it moreover it doesn't know
+    that (for example) the subspace of symmetric matrices is a matrix
+    space in its own right.
+
+    Use ``linear_transformation().matrix()`` instead if you have a
+    true ``VectorSpace``.
 
-    - ``T`` -- The linear transformation whose matrix we should
-               compute. This should be a callable function that
-               takes as its single argument an element of ``V``.
+    INPUT:
 
-    - ``V`` -- The vector or matrix space on which ``T`` is defined.
+    - ``M`` -- Either a ``MatrixSpace``, or a list of matrices that form
+               a basis for a matrix space.
 
     OUTPUT:
 
-    If the dimension of ``V`` is `$n$`, we return an `$n \times n$`
-    matrix that represents ``T`` with respect to the standard basis of
-    ``V``.
+    If the matrix space associated with `M` has dimension `n`, then an
+    `n`-by-`n` matrix over the same base ring is returned.
 
     SETUP::
 
-        sage: from mjo.matrix_vector import isomorphism, matrix_of_transformation
+        sage: from mjo.matrix_vector import (basis_representation,
+        ....:                                basis_repr_of_operator)
 
     EXAMPLES:
 
-    The matrix of a transformation on a simple vector space should be
-    the expected matrix::
-
-        sage: V = VectorSpace(QQ, 3)
-        sage: def f(x):
-        ....:     return 3*x
-        ....:
-        sage: matrix_of_transformation(f, V)
-        [3 0 0]
-        [0 3 0]
-        [0 0 3]
+    The matrix of the identity operator on the space of two-by-two
+    symmetric matrices is the identity matrix, regardless of the basis::
+
+        sage: E11 = matrix(QQbar,[ [1,0],
+        ....:                      [0,0] ])
+        sage: E12 = matrix(QQbar,[ [0, 1/sqrt(2)],
+        ....:                      [1/sqrt(2), 0] ])
+        sage: E22 = matrix(QQbar,[ [0,0],
+        ....:                      [0,1] ])
+        sage: basis = [E11, E12, E22]
+        sage: identity = lambda X: X
+        sage: basis_repr_of_operator(basis, identity)
+        [1 0 0]
+        [0 1 0]
+        [0 0 1]
+        sage: E11 = matrix(QQ,[[2,0],[0,0]])
+        sage: E12 = matrix(QQ,[[0,2],[2,0]])
+        sage: basis = [E11, E12, E22]
+        sage: basis_repr_of_operator(basis, identity)
+        [1 0 0]
+        [0 1 0]
+        [0 0 1]
 
     A more complicated example confirms that we get a matrix consistent
     with our ``matrix_to_vector`` function::
@@ -102,7 +189,7 @@ def matrix_of_transformation(T, V):
         sage: def f(x):
         ....:     return Q*x*Q.inverse()
         ....:
-        sage: F = matrix_of_transformation(f, M)
+        sage: F = basis_repr_of_operator(M, f)
         sage: F
         [0 0 0 0 1 0 0 0 0]
         [0 0 0 1 0 0 0 0 0]
@@ -113,50 +200,27 @@ def matrix_of_transformation(T, V):
         [0 0 0 0 0 0 0 1 0]
         [0 0 0 0 0 0 1 0 0]
         [0 0 0 0 0 0 0 0 1]
-        sage: phi, phi_inv = isomorphism(M)
+        sage: phi, phi_inv = basis_representation(M)
         sage: X = M([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])
-        sage: F*phi(X)
-        (5, 4, 6, 2, 1, 3, 8, 7, 9)
-        sage: phi(f(X))
-        (5, 4, 6, 2, 1, 3, 8, 7, 9)
         sage: F*phi(X) == phi(f(X))
         True
 
     """
-    n = V.dimension()
-    B = list(V.basis())
-
-    def inner_product(v, w):
-        # An inner product function that works for both matrices and
-        # vectors.
-        if callable(getattr(v, 'inner_product', None)):
-            return v.inner_product(w)
-        elif callable(getattr(v, 'matrix_space', None)):
-            # V must be a matrix space?
-            return (v*w.transpose()).trace()
-        else:
-            raise ValueError('inner_product only works on vectors and matrices')
-
-    def apply(L, x):
-        # A "call" that works for both matrices and functions.
-        if callable(getattr(L, 'matrix_space', None)):
-            # L is a matrix, and we need to use "multiply" to call it.
-            return L*x
-        else:
-            # If L isn't a matrix, try this. It works for python
-            # functions at least.
-            return L(x)
-
-    entries = []
-    for j in range(0,n):
-        for i in range(0,n):
-            entry = inner_product(apply(T,B[i]), B[j])
-            entries.append(entry)
-
-    # Construct the matrix space in which our return value will lie.
-    W = MatrixSpace(V.base_ring(), n, n)
-
-    # And make a matrix out of our list of entries.
-    A = W(entries)
-
-    return A
+    if is_MatrixSpace(M):
+        basis_space = M
+        basis = list(M.basis())
+    else:
+        basis_space = M[0].matrix_space()
+        basis = M
+
+    (phi, phi_inv) = basis_representation(M)
+
+    # Get a basis for the image space. Since phi is an isometry,
+    # it takes one basis to another.
+    image_basis = [ phi(b) for b in basis ]
+
+    # Now construct the image space itself equipped with our custom basis.
+    W = VectorSpace(basis_space.base_ring(), len(basis))
+    W = W.span_of_basis(image_basis)
+
+    return matrix.column( W.coordinates(phi(L(b))) for b in basis )