]> gitweb.michael.orlitzky.com - dunshire.git/blobdiff - src/dunshire/games.py
Rename "xi" and "gamma" to "p" and "q" to avoid name clashes with CVXOPT.
[dunshire.git] / src / dunshire / games.py
index 3d4b09ad8c0c12ff1bba0294a1c5c87ae8ff72bf..43fa007c61077c90ef627e9738afbaa09dcde9c1 100644 (file)
@@ -5,18 +5,11 @@ This module contains the main :class:`SymmetricLinearGame` class that
 knows how to solve a linear game.
 """
 
-# These few are used only for tests.
-from math import sqrt
-from random import randint, uniform
-from unittest import TestCase
-
-# These are mostly actually needed.
 from cvxopt import matrix, printing, solvers
-from cones import CartesianProduct, IceCream, NonnegativeOrthant
-from errors import GameUnsolvableException
-from matrices import (append_col, append_row, eigenvalues_re, identity,
-                      inner_product, norm)
-import options
+from .cones import CartesianProduct
+from .errors import GameUnsolvableException
+from .matrices import append_col, append_row, identity
+from . import options
 
 printing.options['dformat'] = options.FLOAT_FORMAT
 solvers.options['show_progress'] = options.VERBOSE
@@ -211,7 +204,7 @@ class SymmetricLinearGame:
     Examples
     --------
 
-        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> from dunshire import *
         >>> K = NonnegativeOrthant(3)
         >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
         >>> e1 = [1,1,1]
@@ -232,7 +225,7 @@ class SymmetricLinearGame:
 
     Lists can (and probably should) be used for every argument::
 
-        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> from dunshire import *
         >>> K = NonnegativeOrthant(2)
         >>> L = [[1,0],[0,1]]
         >>> e1 = [1,1]
@@ -254,7 +247,7 @@ class SymmetricLinearGame:
 
         >>> import cvxopt
         >>> import numpy
-        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> from dunshire import *
         >>> K = NonnegativeOrthant(2)
         >>> L = [[1,0],[0,1]]
         >>> e1 = cvxopt.matrix([1,1])
@@ -275,7 +268,7 @@ class SymmetricLinearGame:
     otherwise indexed by columns::
 
         >>> import cvxopt
-        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> from dunshire import *
         >>> K = NonnegativeOrthant(2)
         >>> L = [[1,2],[3,4]]
         >>> e1 = [1,1]
@@ -364,7 +357,7 @@ class SymmetricLinearGame:
         This example is computed in Gowda and Ravindran in the section
         "The value of a Z-transformation"::
 
-            >>> from cones import NonnegativeOrthant
+            >>> from dunshire import *
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
             >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
             >>> e1 = [1,1,1]
@@ -384,7 +377,7 @@ class SymmetricLinearGame:
         The value of the following game can be computed using the fact
         that the identity is invertible::
 
-            >>> from cones import NonnegativeOrthant
+            >>> from dunshire import *
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
             >>> L = [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
             >>> e1 = [1,2,3]
@@ -434,6 +427,12 @@ class SymmetricLinearGame:
         # what happened.
         soln_dict = solvers.conelp(c, G, h, C.cvxopt_dims(), A, b)
 
+        # The optimal strategies are named ``p`` and ``q`` in the
+        # background documentation, and we need to extract them from
+        # the CVXOPT ``x`` and ``z`` variables. The objective values
+        # :math:`nu` and :math:`omega` can also be found in the CVXOPT
+        # ``x`` and ``y`` variables; however, they're stored
+        # conveniently as separate entries in the solution dictionary.
         p1_value = -soln_dict['primal objective']
         p2_value = -soln_dict['dual objective']
         p1_optimal = soln_dict['x'][1:]
@@ -475,7 +474,7 @@ class SymmetricLinearGame:
         Examples
         --------
 
-            >>> from cones import NonnegativeOrthant
+            >>> from dunshire import *
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
             >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
             >>> e1 = [1,1,1]
@@ -502,407 +501,3 @@ class SymmetricLinearGame:
                                    self._K,
                                    self._e2,
                                    self._e1)
-
-
-
-def _random_matrix(dims):
-    """
-    Generate a random square (``dims``-by-``dims``) matrix. This is used
-    only by the :class:`SymmetricLinearGameTest` class.
-    """
-    return matrix([[uniform(-10, 10) for i in range(dims)]
-                   for j in range(dims)])
-
-def _random_nonnegative_matrix(dims):
-    """
-    Generate a random square (``dims``-by-``dims``) matrix with
-    nonnegative entries. This is used only by the
-    :class:`SymmetricLinearGameTest` class.
-    """
-    L = _random_matrix(dims)
-    return matrix([abs(entry) for entry in L], (dims, dims))
-
-def _random_diagonal_matrix(dims):
-    """
-    Generate a random square (``dims``-by-``dims``) matrix with nonzero
-    entries only on the diagonal. This is used only by the
-    :class:`SymmetricLinearGameTest` class.
-    """
-    return matrix([[uniform(-10, 10)*int(i == j) for i in range(dims)]
-                   for j in range(dims)])
-
-
-def _random_skew_symmetric_matrix(dims):
-    """
-    Generate a random skew-symmetrix (``dims``-by-``dims``) matrix.
-
-    Examples
-    --------
-
-       >>> A = _random_skew_symmetric_matrix(randint(1, 10))
-       >>> norm(A + A.trans()) < options.ABS_TOL
-       True
-
-    """
-    strict_ut = [[uniform(-10, 10)*int(i < j) for i in range(dims)]
-                  for j in range(dims)]
-
-    strict_ut = matrix(strict_ut, (dims,dims))
-    return (strict_ut - strict_ut.trans())
-
-
-def _random_lyapunov_like_icecream(dims):
-    """
-    Generate a random Lyapunov-like matrix over the ice-cream cone in
-    ``dims`` dimensions.
-    """
-    a = matrix([uniform(-10,10)], (1,1))
-    b = matrix([uniform(-10,10) for idx in range(dims-1)], (dims-1, 1))
-    D = _random_skew_symmetric_matrix(dims-1) + a*identity(dims-1)
-    row1 = append_col(a, b.trans())
-    row2 = append_col(b, D)
-    return append_row(row1,row2)
-
-
-def _random_orthant_params():
-    """
-    Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
-    random game over the nonnegative orthant. This is only used by
-    the :class:`SymmetricLinearGameTest` class.
-    """
-    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 = _random_matrix(K.dimension())
-    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
-
-
-def _random_icecream_params():
-    """
-    Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
-    random game over the ice cream cone. This is only used by
-    the :class:`SymmetricLinearGameTest` class.
-    """
-    # 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 = _random_matrix(K.dimension())
-
-    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
-
-
-class SymmetricLinearGameTest(TestCase):
-    """
-    Tests for the SymmetricLinearGame and Solution classes.
-    """
-    def assert_within_tol(self, first, second):
-        """
-        Test that ``first`` and ``second`` are equal within our default
-        tolerance.
-        """
-        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,
-        ensure that that game has a solution.
-        """
-        # The matrix() constructor assumes that ``L`` is a list of
-        # columns, so we transpose it to agree with what
-        # SymmetricLinearGame() thinks.
-        G = SymmetricLinearGame(L.trans(), K, e1, e2)
-        soln = G.solution()
-
-        expected = inner_product(L*soln.player1_optimal(),
-                                 soln.player2_optimal())
-        self.assert_within_tol(soln.game_value(), expected)
-
-
-    def test_solution_exists_orthant(self):
-        """
-        Every linear game has a solution, so we should be able to solve
-        every symmetric linear game over the NonnegativeOrthant. Pick
-        some parameters randomly and give it a shot. The resulting
-        optimal solutions should give us the optimal game value when we
-        apply the payoff operator to them.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_orthant_params()
-        self.assert_solution_exists(L, K, e1, e2)
-
-
-    def test_solution_exists_icecream(self):
-        """
-        Like :meth:`test_solution_exists_nonnegative_orthant`, except
-        over the ice cream cone.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _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 assert_scaling_works(self, L, K, e1, e2):
-        """
-        Test that scaling ``L`` by a nonnegative number scales the value
-        of the game by the same number.
-        """
-        game1 = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-        value1 = game1.solution().game_value()
-
-        alpha = uniform(0.1, 10)
-        game2 = SymmetricLinearGame(alpha*L, K, e1, e2)
-        value2 = game2.solution().game_value()
-        self.assert_within_tol(alpha*value1, value2)
-
-
-    def test_scaling_orthant(self):
-        """
-        Test that scaling ``L`` by a nonnegative number scales the value
-        of the game by the same number over the nonnegative orthant.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_orthant_params()
-        self.assert_scaling_works(L, K, e1, e2)
-
-
-    def test_scaling_icecream(self):
-        """
-        The same test as :meth:`test_nonnegative_scaling_orthant`,
-        except over the ice cream cone.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_icecream_params()
-        self.assert_scaling_works(L, K, e1, e2)
-
-
-    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.
-        """
-        # We need to use ``L`` later, so make sure we transpose it
-        # before passing it in as a column-indexed matrix.
-        game1 = SymmetricLinearGame(L.trans(), K, e1, e2)
-        soln1 = game1.solution()
-        value1 = soln1.game_value()
-        x_bar = soln1.player1_optimal()
-        y_bar = soln1.player2_optimal()
-
-        alpha = uniform(-10, 10)
-        tensor_prod = e1*e2.trans()
-
-        # This is the "correct" representation of ``M``, but COLUMN
-        # indexed...
-        M = L + alpha*tensor_prod
-
-        # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
-        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e1, e2)
-        value2 = game2.solution().game_value()
-
-        self.assert_within_tol(value1 + alpha, value2)
-
-        # Make sure the same optimal pair works.
-        self.assert_within_tol(value2, inner_product(M*x_bar, y_bar))
-
-
-    def test_translation_orthant(self):
-        """
-        Test that translation works over the nonnegative orthant.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _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) = _random_icecream_params()
-        self.assert_translation_works(L, K, e1, e2)
-
-
-    def assert_opposite_game_works(self, L, K, e1, e2):
-        """
-        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.
-        """
-        # We need to use ``L`` later, so make sure we transpose it
-        # before passing it in as a column-indexed matrix.
-        game1 = SymmetricLinearGame(L.trans(), K, e1, e2)
-
-        # 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.
-        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e2, e1)
-
-        soln1 = game1.solution()
-        x_bar = soln1.player1_optimal()
-        y_bar = soln1.player2_optimal()
-        soln2 = game2.solution()
-
-        self.assert_within_tol(-soln1.game_value(), soln2.game_value())
-
-        # Make sure the switched optimal pair works.
-        self.assert_within_tol(soln2.game_value(),
-                               inner_product(M*y_bar, x_bar))
-
-
-    def test_opposite_game_orthant(self):
-        """
-        Test the value of the "opposite" game over the nonnegative
-        orthant.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _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) = _random_icecream_params()
-        self.assert_opposite_game_works(L, K, e1, e2)
-
-
-    def assert_orthogonality(self, L, K, e1, e2):
-        """
-        Two orthogonality relations hold at an optimal solution, and we
-        check them here.
-        """
-        # We need to use ``L`` later, so make sure we transpose it
-        # before passing it in as a column-indexed matrix.
-        game = SymmetricLinearGame(L.trans(), K, e1, e2)
-        soln = game.solution()
-        x_bar = soln.player1_optimal()
-        y_bar = soln.player2_optimal()
-        value = soln.game_value()
-
-        ip1 = inner_product(y_bar, L*x_bar - value*e1)
-        self.assert_within_tol(ip1, 0)
-
-        ip2 = inner_product(value*e2 - L.trans()*y_bar, x_bar)
-        self.assert_within_tol(ip2, 0)
-
-
-    def test_orthogonality_orthant(self):
-        """
-        Check the orthgonality relationships that hold for a solution
-        over the nonnegative orthant.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_orthant_params()
-        self.assert_orthogonality(L, K, e1, e2)
-
-
-    def test_orthogonality_icecream(self):
-        """
-        Check the orthgonality relationships that hold for a solution
-        over the ice-cream cone.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_icecream_params()
-        self.assert_orthogonality(L, K, e1, e2)
-
-
-    def test_positive_operator_value(self):
-        """
-        Test that a positive operator on the nonnegative orthant gives
-        rise to a a game with a nonnegative value.
-
-        This test theoretically applies to the ice-cream cone as well,
-        but we don't know how to make positive operators on that cone.
-        """
-        (_, K, e1, e2) = _random_orthant_params()
-
-        # Ignore that L, we need a nonnegative one.
-        L = _random_nonnegative_matrix(K.dimension())
-
-        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-        self.assertTrue(game.solution().game_value() >= -options.ABS_TOL)
-
-
-    def assert_lyapunov_works(self, L, K, e1, e2):
-        """
-        Check that Lyapunov games act the way we expect.
-        """
-        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-        soln = game.solution()
-
-        # We only check for positive/negative stability if the game
-        # value is not basically zero. If the value is that close to
-        # zero, we just won't check any assertions.
-        if soln.game_value() > options.ABS_TOL:
-            # L should be positive stable
-            ps = all([eig > -options.ABS_TOL for eig in  eigenvalues_re(L)])
-            self.assertTrue(ps)
-        elif soln.game_value() < -options.ABS_TOL:
-            # L should be negative stable
-            ns = all([eig < options.ABS_TOL for eig in  eigenvalues_re(L)])
-            self.assertTrue(ns)
-
-        # The dual game's value should always equal the primal's.
-        dualsoln = game.dual().solution()
-        self.assert_within_tol(dualsoln.game_value(), soln.game_value())
-
-
-    def test_lyapunov_orthant(self):
-        """
-        Test that a Lyapunov game on the nonnegative orthant works.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_orthant_params()
-
-        # Ignore that L, we need a diagonal (Lyapunov-like) one.
-        # (And we don't need to transpose those.)
-        L = _random_diagonal_matrix(K.dimension())
-
-        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)
-
-
-    def test_lyapunov_icecream(self):
-        """
-        Test that a Lyapunov game on the ice-cream cone works.
-        """
-        (L, K, e1, e2) = _random_icecream_params()
-
-        # Ignore that L, we need a diagonal (Lyapunov-like) one.
-        # (And we don't need to transpose those.)
-        L = _random_lyapunov_like_icecream(K.dimension())
-
-        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)