]> gitweb.michael.orlitzky.com - dunshire.git/blobdiff - src/dunshire/games.py
Add tests for the "translated" and "negated" games (from a few corollaries).
[dunshire.git] / src / dunshire / games.py
index 9f0b0ced50628d387ef5fbe2b8d166aefc9bb6a8..3db6dd07c4163ea998fcdb9eb6abfeda17757db2 100644 (file)
@@ -14,7 +14,7 @@ from unittest import TestCase
 from cvxopt import matrix, printing, solvers
 from cones import CartesianProduct, IceCream, NonnegativeOrthant
 from errors import GameUnsolvableException
-from matrices import append_col, append_row, identity, inner_product
+from matrices import append_col, append_row, identity, inner_product, norm
 import options
 
 printing.options['dformat'] = options.FLOAT_FORMAT
@@ -319,10 +319,10 @@ class SymmetricLinearGame:
         # feeding it to CVXOPT.
         self._L = matrix(L, (K.dimension(), K.dimension())).trans()
 
-        if not K.contains_strict(self._e1):
+        if not self._e1 in K:
             raise ValueError('the point e1 must lie in the interior of K')
 
-        if not K.contains_strict(self._e2):
+        if not self._e2 in K:
             raise ValueError('the point e2 must lie in the interior of K')
 
     def __str__(self):
@@ -433,21 +433,35 @@ class SymmetricLinearGame:
         # what happened.
         soln_dict = solvers.conelp(c, G, h, C.cvxopt_dims(), A, b)
 
+        p1_value = -soln_dict['primal objective']
+        p2_value = -soln_dict['dual objective']
+        p1_optimal = soln_dict['x'][1:]
+        p2_optimal = soln_dict['z'][self._K.dimension():]
+
         # The "status" field contains "optimal" if everything went
         # according to plan. Other possible values are "primal
-        # infeasible", "dual infeasible", "unknown", all of which
-        # mean we didn't get a solution. That should never happen,
-        # because by construction our game has a solution, and thus
-        # the cone program should too.
-        if soln_dict['status'] != 'optimal':
+        # infeasible", "dual infeasible", "unknown", all of which mean
+        # we didn't get a solution. The "infeasible" ones are the
+        # worst, since they indicate that CVXOPT is convinced the
+        # problem is infeasible (and that cannot happen).
+        if soln_dict['status'] in ['primal infeasible', 'dual infeasible']:
             raise GameUnsolvableException(soln_dict)
-
-        p1_value = soln_dict['x'][0]
-        p1_optimal = soln_dict['x'][1:]
-        p2_optimal = soln_dict['z'][self._K.dimension():]
+        elif soln_dict['status'] == 'unknown':
+            # When we get a status of "unknown", we may still be able
+            # to salvage a solution out of the returned
+            # dictionary. Often this is the result of numerical
+            # difficulty and we can simply check that the primal/dual
+            # objectives match (within a tolerance) and that the
+            # primal/dual optimal solutions are within the cone (to a
+            # tolerance as well).
+            if (abs(p1_value - p2_value) > options.ABS_TOL):
+                raise GameUnsolvableException(soln_dict)
+            if (p1_optimal not in self._K) or (p2_optimal not in self._K):
+                raise GameUnsolvableException(soln_dict)
 
         return Solution(p1_value, p1_optimal, p2_optimal)
 
+
     def dual(self):
         r"""
         Return the dual game to this game.
@@ -494,6 +508,54 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase):
     Tests for the SymmetricLinearGame and Solution classes.
     """
 
+    def random_square_matrix(self, dims):
+        """
+        Generate a random square (``dims``-by-``dims``) matrix,
+        represented as a list of rows.
+        """
+        return [[uniform(-10, 10) for i in range(dims)] for j in range(dims)]
+
+
+    def random_orthant_params(self):
+        """
+        Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
+        random game over the nonnegative orthant.
+        """
+        ambient_dim = randint(1, 10)
+        K = NonnegativeOrthant(ambient_dim)
+        e1 = [uniform(0.5, 10) for idx in range(K.dimension())]
+        e2 = [uniform(0.5, 10) for idx in range(K.dimension())]
+        L = self.random_square_matrix(K.dimension())
+        return (L, K, e1, e2)
+
+
+    def random_icecream_params(self):
+        """
+        Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
+        random game over the ice cream cone.
+        """
+        # Use a minimum dimension of two to avoid divide-by-zero in
+        # the fudge factor we make up later.
+        ambient_dim = randint(2, 10)
+        K = IceCream(ambient_dim)
+        e1 = [1] # Set the "height" of e1 to one
+        e2 = [1] # And the same for e2
+
+        # If we choose the rest of the components of e1,e2 randomly
+        # between 0 and 1, then the largest the squared norm of the
+        # non-height part of e1,e2 could be is the 1*(dim(K) - 1). We
+        # need to make it less than one (the height of the cone) so
+        # that the whole thing is in the cone. The norm of the
+        # non-height part is sqrt(dim(K) - 1), and we can divide by
+        # twice that.
+        fudge_factor = 1.0 / (2.0*sqrt(K.dimension() - 1.0))
+        e1 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for idx in range(K.dimension() - 1)]
+        e2 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for idx in range(K.dimension() - 1)]
+        L = self.random_square_matrix(K.dimension())
+
+        return (L, K, e1, e2)
+
+
     def assert_within_tol(self, first, second):
         """
         Test that ``first`` and ``second`` are equal within our default
@@ -502,6 +564,15 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase):
         self.assertTrue(abs(first - second) < options.ABS_TOL)
 
 
+    def assert_norm_within_tol(self, first, second):
+        """
+        Test that ``first`` and ``second`` vectors are equal in the
+        sense that the norm of their difference is within our default
+        tolerance.
+        """
+        self.assert_within_tol(norm(first - second), 0)
+
+
     def assert_solution_exists(self, L, K, e1, e2):
         """
         Given the parameters needed to construct a SymmetricLinearGame,
@@ -509,11 +580,16 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase):
         """
         G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
         soln = G.solution()
+
+        # The matrix() constructor assumes that ``L`` is a list of
+        # columns, so we transpose it to agree with what
+        # SymmetricLinearGame() thinks.
         L_matrix = matrix(L).trans()
         expected = inner_product(L_matrix*soln.player1_optimal(),
                                  soln.player2_optimal())
         self.assert_within_tol(soln.game_value(), expected)
 
+
     def test_solution_exists_nonnegative_orthant(self):
         """
         Every linear game has a solution, so we should be able to solve
@@ -522,37 +598,163 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase):
         optimal solutions should give us the optimal game value when we
         apply the payoff operator to them.
         """
-        ambient_dim = randint(1, 10)
-        K = NonnegativeOrthant(ambient_dim)
-        e1 = [uniform(0.1, 10) for idx in range(K.dimension())]
-        e2 = [uniform(0.1, 10) for idx in range(K.dimension())]
-        L = [[uniform(-10, 10) for i in range(K.dimension())]
-             for j in range(K.dimension())]
+        (L, K, e1, e2) = self.random_orthant_params()
         self.assert_solution_exists(L, K, e1, e2)
 
+
     def test_solution_exists_ice_cream(self):
         """
         Like :meth:`test_solution_exists_nonnegative_orthant`, except
         over the ice cream cone.
         """
-        # Use a minimum dimension of two to avoid divide-by-zero in
-        # the fudge factor we make up later.
-        ambient_dim = randint(2, 10)
-        K = IceCream(ambient_dim)
-        e1 = [1] # Set the "height" of e1 to one
-        e2 = [1] # And the same for e2
-
-        # If we choose the rest of the components of e1,e2 randomly
-        # between 0 and 1, then the largest the squared norm of the
-        # non-height part of e1,e2 could be is the 1*(dim(K) - 1). We
-        # need to make it less than one (the height of the cone) so
-        # that the whole thing is in the cone. The norm of the
-        # non-height part is sqrt(dim(K) - 1), and we can divide by
-        # twice that.
-        fudge_factor = 1.0 / (2.0*sqrt(K.dimension() - 1.0))
-        e1 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for idx in range(K.dimension() - 1)]
-        e2 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for idx in range(K.dimension() - 1)]
-        L = [[uniform(-10, 10) for i in range(K.dimension())]
-             for j in range(K.dimension())]
+        (L, K, e1, e2) = self.random_icecream_params()
         self.assert_solution_exists(L, K, e1, e2)
 
+
+    def test_negative_value_Z_operator(self):
+        """
+        Test the example given in Gowda/Ravindran of a Z-matrix with
+        negative game value on the nonnegative orthant.
+        """
+        K = NonnegativeOrthant(2)
+        e1 = [1,1]
+        e2 = e1
+        L = [[1,-2],[-2,1]]
+        G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        self.assertTrue(G.solution().game_value() < -options.ABS_TOL)
+
+
+    def test_nonnegative_scaling_orthant(self):
+        """
+        Test that scaling ``L`` by a nonnegative number scales the value
+        of the game by the same number. Use the nonnegative orthant as
+        our cone.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_orthant_params()
+        # Make ``L`` a matrix so that we can scale it by alpha. Its
+        # random, so who cares if it gets transposed.
+        L = matrix(L)
+        G1 = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        value1 = G1.solution().game_value()
+
+        alpha = uniform(0.1, 10)
+        G2 = SymmetricLinearGame(alpha*L, K, e1, e2)
+        value2 = G2.solution().game_value()
+        self.assert_within_tol(alpha*value1, value2)
+
+
+    def test_nonnegative_scaling_icecream(self):
+        """
+        The same test as :meth:`test_nonnegative_scaling_orthant`,
+        except over the ice cream cone.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_icecream_params()
+        # Make ``L`` a matrix so that we can scale it by alpha. Its
+        # random, so who cares if it gets transposed.
+        L = matrix(L)
+        G1 = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        value1 = G1.solution().game_value()
+
+        alpha = uniform(0.1, 10)
+        G2 = SymmetricLinearGame(alpha*L, K, e1, e2)
+        value2 = G2.solution().game_value()
+        self.assert_within_tol(alpha*value1, value2)
+
+
+    def assert_translation_works(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        Check that translating ``L`` by alpha*(e1*e2.trans()) increases
+        the value of the associated game by alpha.
+        """
+        e1 = matrix(e1, (K.dimension(), 1))
+        e2 = matrix(e2, (K.dimension(), 1))
+        G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        G_soln = G.solution()
+        value_G = G_soln.game_value()
+        x_bar = G_soln.player1_optimal()
+        y_bar = G_soln.player2_optimal()
+
+        alpha = uniform(-10, 10)
+        # Make ``L`` a CVXOPT matrix so that we can do math with
+        # it. Note that this gives us the "correct" representation of
+        # ``L`` (in agreement with what G has), but COLUMN indexed.
+        L = matrix(L).trans()
+        E = e1*e2.trans()
+        # Likewise, this is the "correct" representation of ``M``, but
+        # COLUMN indexed...
+        M = L + alpha*E
+
+        # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
+        H = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e1, e2)
+        value_H = H.solution().game_value()
+
+        # Make sure the same optimal pair works.
+        H_payoff = inner_product(M*x_bar, y_bar)
+
+        self.assert_within_tol(value_G + alpha, value_H)
+        self.assert_within_tol(value_H, H_payoff)
+
+
+    def test_translation_orthant(self):
+        """
+        Test that translation works over the nonnegative orthant.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_orthant_params()
+        self.assert_translation_works(L, K, e1, e2)
+
+
+    def test_translation_icecream(self):
+        """
+        The same as :meth:`test_translation_orthant`, except over the
+        ice cream cone.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_icecream_params()
+        self.assert_translation_works(L, K, e1, e2)
+
+
+    def assert_opposite_game_works(self, L, K, e1, e2):
+        e1 = matrix(e1, (K.dimension(), 1))
+        e2 = matrix(e2, (K.dimension(), 1))
+        G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+
+        # Make ``L`` a CVXOPT matrix so that we can do math with
+        # it. Note that this gives us the "correct" representation of
+        # ``L`` (in agreement with what G has), but COLUMN indexed.
+        L = matrix(L).trans()
+
+        # Likewise, this is the "correct" representation of ``M``, but
+        # COLUMN indexed...
+        M = -L.trans()
+
+        # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
+        H = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e2, e1)
+
+        G_soln = G.solution()
+        x_bar = G_soln.player1_optimal()
+        y_bar = G_soln.player2_optimal()
+        H_soln = H.solution()
+
+        # Make sure the switched optimal pair works.
+        H_payoff = inner_product(M*y_bar, x_bar)
+
+        self.assert_within_tol(-G_soln.game_value(), H_soln.game_value())
+        self.assert_within_tol(H_soln.game_value(), H_payoff)
+
+
+    def test_opposite_game_orthant(self):
+        """
+        Check the value of the "opposite" game that gives rise to a
+        value that is the negation of the original game. Comes from
+        some corollary.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_orthant_params()
+        self.assert_opposite_game_works(L, K, e1, e2)
+
+
+    def test_opposite_game_icecream(self):
+        """
+        Like :meth:`test_opposite_game_orthant`, except over the
+        ice-cream cone.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = self.random_icecream_params()
+        self.assert_opposite_game_works(L, K, e1, e2)