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[dunshire.git] / src / dunshire / symmetric_linear_game.py
index 968d9ca630c0af2fa15e780747785e9705f82ddc..e2d29788f2b2612fe0d23e12be07010902c93451 100644 (file)
@@ -1,24 +1,43 @@
 """
 Symmetric linear games and their solutions.
 
-This module contains the main SymmetricLinearGame class that knows how
-to solve a linear game.
+This module contains the main :class:`SymmetricLinearGame` class that
+knows how to solve a linear game.
 """
 
-from cvxopt import matrix, printing, solvers
+# These few are used only for tests.
+from math import sqrt
+from random import randint, uniform
+from unittest import TestCase
 
-from cones import CartesianProduct
+# 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, identity
+from matrices import append_col, append_row, identity, inner_product
+import options
 
-printing.options['dformat'] = '%.7f'
-solvers.options['show_progress'] = False
+printing.options['dformat'] = options.FLOAT_FORMAT
+solvers.options['show_progress'] = options.VERBOSE
 
 
 class Solution:
     """
     A representation of the solution of a linear game. It should contain
     the value of the game, and both players' strategies.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> print(Solution(10, matrix([1,2]), matrix([3,4])))
+        Game value: 10.0000000
+        Player 1 optimal:
+          [ 1]
+          [ 2]
+        Player 2 optimal:
+          [ 3]
+          [ 4]
+
     """
     def __init__(self, game_value, p1_optimal, p2_optimal):
         """
@@ -39,17 +58,7 @@ class Solution:
           * The optimal strategy of player one.
           * The optimal strategy of player two.
 
-        EXAMPLES:
-
-           >>> print(Solution(10, matrix([1,2]), matrix([3,4])))
-           Game value: 10.0000000
-           Player 1 optimal:
-             [ 1]
-             [ 2]
-           Player 2 optimal:
-             [ 3]
-             [ 4]
-
+        The two optimal strategy vectors are indented by two spaces.
         """
         tpl = 'Game value: {:.7f}\n' \
               'Player 1 optimal:{:s}\n' \
@@ -66,6 +75,14 @@ class Solution:
     def game_value(self):
         """
         Return the game value for this solution.
+
+        Examples
+        --------
+
+            >>> s = Solution(10, matrix([1,2]), matrix([3,4]))
+            >>> s.game_value()
+            10
+
         """
         return self._game_value
 
@@ -73,6 +90,16 @@ class Solution:
     def player1_optimal(self):
         """
         Return player one's optimal strategy in this solution.
+
+        Examples
+        --------
+
+            >>> s = Solution(10, matrix([1,2]), matrix([3,4]))
+            >>> print(s.player1_optimal())
+            [ 1]
+            [ 2]
+            <BLANKLINE>
+
         """
         return self._player1_optimal
 
@@ -80,6 +107,16 @@ class Solution:
     def player2_optimal(self):
         """
         Return player two's optimal strategy in this solution.
+
+        Examples
+        --------
+
+            >>> s = Solution(10, matrix([1,2]), matrix([3,4]))
+            >>> print(s.player2_optimal())
+            [ 3]
+            [ 4]
+            <BLANKLINE>
+
         """
         return self._player2_optimal
 
@@ -101,27 +138,136 @@ class SymmetricLinearGame:
     two respectively.
 
     The ambient space is assumed to be the span of ``K``.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> K = NonnegativeOrthant(3)
+        >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
+        >>> e1 = [1,1,1]
+        >>> e2 = [1,2,3]
+        >>> SLG = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        >>> print(SLG)
+        The linear game (L, K, e1, e2) where
+          L = [  1  -5 -15]
+              [ -1   2  -3]
+              [-12 -15   1],
+          K = Nonnegative orthant in the real 3-space,
+          e1 = [ 1]
+               [ 1]
+               [ 1],
+          e2 = [ 1]
+               [ 2]
+               [ 3].
+
+
+    Lists can (and probably should) be used for every argument::
+
+        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> K = NonnegativeOrthant(2)
+        >>> L = [[1,0],[0,1]]
+        >>> e1 = [1,1]
+        >>> e2 = [1,1]
+        >>> G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        >>> print(G)
+        The linear game (L, K, e1, e2) where
+          L = [ 1  0]
+              [ 0  1],
+          K = Nonnegative orthant in the real 2-space,
+          e1 = [ 1]
+               [ 1],
+          e2 = [ 1]
+               [ 1].
+
+    The points ``e1`` and ``e2`` can also be passed as some other
+    enumerable type (of the correct length) without much harm, since
+    there is no row/column ambiguity::
+
+        >>> import cvxopt
+        >>> import numpy
+        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> K = NonnegativeOrthant(2)
+        >>> L = [[1,0],[0,1]]
+        >>> e1 = cvxopt.matrix([1,1])
+        >>> e2 = numpy.matrix([1,1])
+        >>> G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        >>> print(G)
+        The linear game (L, K, e1, e2) where
+          L = [ 1  0]
+              [ 0  1],
+          K = Nonnegative orthant in the real 2-space,
+          e1 = [ 1]
+               [ 1],
+          e2 = [ 1]
+               [ 1].
+
+    However, ``L`` will always be intepreted as a list of rows, even
+    if it is passed as a :class:`cvxopt.base.matrix` which is
+    otherwise indexed by columns::
+
+        >>> import cvxopt
+        >>> from cones import NonnegativeOrthant
+        >>> K = NonnegativeOrthant(2)
+        >>> L = [[1,2],[3,4]]
+        >>> e1 = [1,1]
+        >>> e2 = e1
+        >>> G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        >>> print(G)
+        The linear game (L, K, e1, e2) where
+          L = [ 1  2]
+              [ 3  4],
+          K = Nonnegative orthant in the real 2-space,
+          e1 = [ 1]
+               [ 1],
+          e2 = [ 1]
+               [ 1].
+        >>> L = cvxopt.matrix(L)
+        >>> print(L)
+        [ 1  3]
+        [ 2  4]
+        <BLANKLINE>
+        >>> G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        >>> print(G)
+        The linear game (L, K, e1, e2) where
+          L = [ 1  2]
+              [ 3  4],
+          K = Nonnegative orthant in the real 2-space,
+          e1 = [ 1]
+               [ 1],
+          e2 = [ 1]
+               [ 1].
+
     """
     def __init__(self, L, K, e1, e2):
         """
+        Create a new SymmetricLinearGame object.
+
         INPUT:
 
-          - ``L`` -- an n-by-b matrix represented as a list of lists
-             of real numbers.
+          - ``L`` -- an square matrix represented as a list of lists
+             of real numbers. ``L`` itself is interpreted as a list of
+             ROWS, which agrees with (for example) SageMath and NumPy,
+             but not with CVXOPT (whose matrix constructor accepts a
+             list of columns).
 
           - ``K`` -- a SymmetricCone instance.
 
-          - ``e1`` -- the interior point of ``K`` belonging to player one,
-                      as a column vector.
+          - ``e1`` -- the interior point of ``K`` belonging to player one;
+            it can be of any enumerable type having the correct length.
 
-          - ``e2`` -- the interior point of ``K`` belonging to player two,
-                      as a column vector.
+          - ``e2`` -- the interior point of ``K`` belonging to player two;
+            it can be of any enumerable type having the correct length.
 
         """
         self._K = K
         self._e1 = matrix(e1, (K.dimension(), 1))
         self._e2 = matrix(e2, (K.dimension(), 1))
-        self._L = matrix(L, (K.dimension(), K.dimension()))
+
+        # Our input ``L`` is indexed by rows but CVXOPT matrices are
+        # indexed by columns, so we need to transpose the input before
+        # feeding it to CVXOPT.
+        self._L = matrix(L, (K.dimension(), K.dimension())).trans()
 
         if not K.contains_strict(self._e1):
             raise ValueError('the point e1 must lie in the interior of K')
@@ -131,39 +277,17 @@ class SymmetricLinearGame:
 
     def __str__(self):
         """
-        Return a string representatoin of this game.
-
-        EXAMPLES:
-
-            >>> from cones import NonnegativeOrthant
-            >>> K = NonnegativeOrthant(3)
-            >>> L = [[1,-1,-12],[-5,2,-15],[-15,-3,1]]
-            >>> e1 = [1,1,1]
-            >>> e2 = [1,2,3]
-            >>> SLG = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-            >>> print(SLG)
-            The linear game (L, K, e1, e2) where
-              L = [  1  -5 -15]
-                  [ -1   2  -3]
-                  [-12 -15   1],
-              K = Nonnegative orthant in the real 3-space,
-              e1 = [ 1]
-                   [ 1]
-                   [ 1],
-              e2 = [ 1]
-                   [ 2]
-                   [ 3].
-
+        Return a string representation of this game.
         """
         tpl = 'The linear game (L, K, e1, e2) where\n' \
               '  L = {:s},\n' \
               '  K = {!s},\n' \
               '  e1 = {:s},\n' \
               '  e2 = {:s}.'
-        L_str = '\n      '.join(str(self._L).splitlines())
-        e1_str = '\n       '.join(str(self._e1).splitlines())
-        e2_str = '\n       '.join(str(self._e2).splitlines())
-        return tpl.format(L_str, str(self._K), e1_str, e2_str)
+        indented_L = '\n      '.join(str(self._L).splitlines())
+        indented_e1 = '\n       '.join(str(self._e1).splitlines())
+        indented_e2 = '\n       '.join(str(self._e2).splitlines())
+        return tpl.format(indented_L, str(self._K), indented_e1, indented_e2)
 
 
     def solution(self):
@@ -179,14 +303,15 @@ class SymmetricLinearGame:
         GameUnsolvableException is raised. It can be printed to get the
         raw output from CVXOPT.
 
-        EXAMPLES:
+        Examples
+        --------
 
         This example is computed in Gowda and Ravindran in the section
-        "The value of a Z-transformation":
+        "The value of a Z-transformation"::
 
             >>> from cones import NonnegativeOrthant
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
-            >>> L = [[1,-1,-12],[-5,2,-15],[-15,-3,1]]
+            >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
             >>> e1 = [1,1,1]
             >>> e2 = [1,1,1]
             >>> SLG = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
@@ -202,7 +327,7 @@ class SymmetricLinearGame:
               [0.5517241]
 
         The value of the following game can be computed using the fact
-        that the identity is invertible:
+        that the identity is invertible::
 
             >>> from cones import NonnegativeOrthant
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
@@ -273,11 +398,12 @@ class SymmetricLinearGame:
         """
         Return the dual game to this game.
 
-        EXAMPLES:
+        Examples
+        --------
 
             >>> from cones import NonnegativeOrthant
             >>> K = NonnegativeOrthant(3)
-            >>> L = [[1,-1,-12],[-5,2,-15],[-15,-3,1]]
+            >>> L = [[1,-5,-15],[-1,2,-3],[-12,-15,1]]
             >>> e1 = [1,1,1]
             >>> e2 = [1,2,3]
             >>> SLG = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
@@ -295,7 +421,79 @@ class SymmetricLinearGame:
                    [ 1].
 
         """
-        return SymmetricLinearGame(self._L.trans(),
-                                   self._K, # Since "K" is symmetric.
+        # We pass ``self._L`` right back into the constructor, because
+        # it will be transposed there. And keep in mind that ``self._K``
+        # is its own dual.
+        return SymmetricLinearGame(self._L,
+                                   self._K,
                                    self._e2,
                                    self._e1)
+
+
+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_solution_exists(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        Given the parameters needed to construct a SymmetricLinearGame,
+        ensure that that game has a solution.
+        """
+        G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        soln = G.solution()
+        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
+        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.
+        """
+        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())]
+        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())]
+        self.assert_solution_exists(L, K, e1, e2)
+