]> gitweb.michael.orlitzky.com - dunshire.git/blobdiff - test/symmetric_linear_game_test.py
Overhaul the tests to get more predictable behavior.
[dunshire.git] / test / symmetric_linear_game_test.py
index 69c352ace384e0fda2f60023d6577bc37baaf315..2978f11b627feeefe5edc82d89bec466eaae455b 100644 (file)
@@ -2,6 +2,18 @@
 Unit tests for the :class:`SymmetricLinearGame` class.
 """
 
+MAX_COND = 250
+"""
+The maximum condition number of a randomly-generated game.
+"""
+
+RANDOM_MAX = 10
+"""
+When generating uniform random real numbers, this will be used as the
+largest allowed magnitude. It keeps our condition numbers down and other
+properties within reason.
+"""
+
 from math import sqrt
 from random import randint, uniform
 from unittest import TestCase
@@ -29,7 +41,7 @@ def random_matrix(dims):
 
     matrix
         A new matrix whose entries are random floats chosen uniformly from
-        the interval [-10, 10].
+        the interval [-RANDOM_MAX, RANDOM_MAX].
 
     Examples
     --------
@@ -39,7 +51,7 @@ def random_matrix(dims):
         (3, 3)
 
     """
-    return matrix([[uniform(-10, 10) for _ in range(dims)]
+    return matrix([[uniform(-RANDOM_MAX, RANDOM_MAX) for _ in range(dims)]
                    for _ in range(dims)])
 
 
@@ -58,7 +70,7 @@ def random_nonnegative_matrix(dims):
 
     matrix
         A new matrix whose entries are random floats chosen uniformly from
-        the interval [0, 10].
+        the interval [0, RANDOM_MAX].
 
     Examples
     --------
@@ -92,8 +104,8 @@ def random_diagonal_matrix(dims):
 
     matrix
         A new matrix whose diagonal entries are random floats chosen
-        uniformly from the interval [-10, 10] and whose off-diagonal
-        entries are zero.
+        uniformly from the interval [-RANDOM_MAX, RANDOM_MAX] and whose
+        off-diagonal entries are zero.
 
     Examples
     --------
@@ -105,7 +117,8 @@ def random_diagonal_matrix(dims):
         True
 
     """
-    return matrix([[uniform(-10, 10)*int(i == j) for i in range(dims)]
+    return matrix([[uniform(-RANDOM_MAX, RANDOM_MAX)*int(i == j)
+                   for i in range(dims)]
                    for j in range(dims)])
 
 
@@ -124,7 +137,8 @@ def random_skew_symmetric_matrix(dims):
 
     matrix
         A new skew-matrix whose strictly above-diagonal entries are
-        random floats chosen uniformly from the interval [-10, 10].
+        random floats chosen uniformly from the interval
+        [-RANDOM_MAX, RANDOM_MAX].
 
     Examples
     --------
@@ -201,23 +215,33 @@ def random_lyapunov_like_icecream(dims):
     return append_row(row1, row2)
 
 
-def random_orthant_params():
+def random_orthant_game():
     """
     Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
-    random game over the nonnegative orthant.
+    random game over the nonnegative orthant, and return the
+    corresponding :class:`SymmetricLinearGame`.
+
+    We keep going until we generate a game with a condition number under
+    5000.
     """
     ambient_dim = randint(1, 10)
     K = NonnegativeOrthant(ambient_dim)
     e1 = [uniform(0.5, 10) for _ in range(K.dimension())]
     e2 = [uniform(0.5, 10) for _ in range(K.dimension())]
     L = random_matrix(K.dimension())
-    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
+    G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
 
+    if G._condition() <= MAX_COND:
+        return G
+    else:
+        return random_orthant_game()
 
-def random_icecream_params():
+
+def random_icecream_game():
     """
     Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
-    random game over the ice-cream cone.
+    random game over the ice-cream cone, and return the corresponding
+    :class:`SymmetricLinearGame`.
     """
     # Use a minimum dimension of two to avoid divide-by-zero in
     # the fudge factor we make up later.
@@ -237,8 +261,12 @@ def random_icecream_params():
     e1 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for _ in range(K.dimension() - 1)]
     e2 += [fudge_factor*uniform(0, 1) for _ in range(K.dimension() - 1)]
     L = random_matrix(K.dimension())
+    G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
 
-    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
+    if G._condition() <= MAX_COND:
+        return G
+    else:
+        return random_icecream_game()
 
 
 # Tell pylint to shut up about the large number of methods.
@@ -248,28 +276,47 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
     """
     def assert_within_tol(self, first, second):
         """
-        Test that ``first`` and ``second`` are equal within our default
-        tolerance.
+        Test that ``first`` and ``second`` are equal within a multiple of
+        our default tolerances.
+
+        The factor of two is because if we compare two solutions, both
+        of which may be off by ``ABS_TOL``, then the result could be off
+        by ``2*ABS_TOL``. The factor of ``RANDOM_MAX`` allows for
+        scaling a result (by ``RANDOM_MAX``) that may be off by
+        ``ABS_TOL``. The final factor of two is to allow for the edge
+        cases where we get an "unknown" result and need to lower the
+        CVXOPT tolerance by a factor of two.
         """
-        self.assertTrue(abs(first - second) < options.ABS_TOL)
+        self.assertTrue(abs(first - second) < 2*2*RANDOM_MAX*options.ABS_TOL)
 
 
-    def assert_solution_exists(self, L, K, e1, e2):
+    def assert_solution_exists(self, G):
         """
-        Given the parameters needed to construct a SymmetricLinearGame,
-        ensure that that game has a solution.
+        Given  a SymmetricLinearGame, ensure that it 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(),
+        expected = inner_product(G._L*soln.player1_optimal(),
                                  soln.player2_optimal())
         self.assert_within_tol(soln.game_value(), expected)
 
 
+
+    def test_condition_lower_bound(self):
+        """
+        Ensure that the condition number of a game is greater than or
+        equal to one.
+
+        It should be safe to compare these floats directly: we compute
+        the condition number as the ratio of one nonnegative real number
+        to a smaller nonnegative real number.
+        """
+        G = random_orthant_game()
+        self.assertTrue(G._condition() >= 1.0)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assertTrue(G._condition() >= 1.0)
+
+
     def test_solution_exists_orthant(self):
         """
         Every linear game has a solution, so we should be able to solve
@@ -278,8 +325,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_orthant_game()
+        self.assert_solution_exists(G)
 
 
     def test_solution_exists_icecream(self):
@@ -287,8 +334,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assert_solution_exists(G)
 
 
     def test_negative_value_z_operator(self):
@@ -304,16 +351,27 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         self.assertTrue(G.solution().game_value() < -options.ABS_TOL)
 
 
-    def assert_scaling_works(self, L, K, e1, e2):
+    def assert_scaling_works(self, game1):
         """
         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)
+        game2 = SymmetricLinearGame(alpha*game1._L.trans(),
+                                    game1._K,
+                                    game1._e1,
+                                    game1._e2)
+
+        while game2._condition() > MAX_COND:
+            # Loop until the condition number of game2 doesn't suck.
+            alpha = uniform(0.1, 10)
+            game2 = SymmetricLinearGame(alpha*game1._L.trans(),
+                                        game1._K,
+                                        game1._e1,
+                                        game1._e2)
+
         value2 = game2.solution().game_value()
         self.assert_within_tol(alpha*value1, value2)
 
@@ -323,8 +381,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_orthant_game()
+        self.assert_scaling_works(G)
 
 
     def test_scaling_icecream(self):
@@ -332,32 +390,39 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assert_scaling_works(G)
 
 
-    def assert_translation_works(self, L, K, e1, e2):
+    def assert_translation_works(self, game1):
         """
         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()
+        tensor_prod = game1._e1*game1._e2.trans()
 
         # This is the "correct" representation of ``M``, but COLUMN
         # indexed...
-        M = L + alpha*tensor_prod
+        alpha = uniform(-10, 10)
+        M = game1._L + alpha*tensor_prod
 
         # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
-        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e1, e2)
+        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), game1._K, game1._e1, game1._e2)
+        while game2._condition() > MAX_COND:
+            # Loop until the condition number of game2 doesn't suck.
+            alpha = uniform(-10, 10)
+            M = game1._L + alpha*tensor_prod
+            game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(),
+                                        game1._K,
+                                        game1._e1,
+                                        game1._e2)
+
         value2 = game2.solution().game_value()
 
         self.assert_within_tol(value1 + alpha, value2)
@@ -370,8 +435,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         """
         Test that translation works over the nonnegative orthant.
         """
-        (L, K, e1, e2) = random_orthant_params()
-        self.assert_translation_works(L, K, e1, e2)
+        G = random_orthant_game()
+        self.assert_translation_works(G)
 
 
     def test_translation_icecream(self):
@@ -379,26 +444,23 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assert_translation_works(G)
 
 
-    def assert_opposite_game_works(self, L, K, e1, e2):
+    def assert_opposite_game_works(self, game1):
         """
         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()
+        M = -game1._L.trans()
 
         # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
-        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e2, e1)
+        # Note: the condition number of game2 should be comparable to game1.
+        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), game1._K, game1._e2, game1._e1)
 
         soln1 = game1.solution()
         x_bar = soln1.player1_optimal()
@@ -417,8 +479,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_orthant_game()
+        self.assert_opposite_game_works(G)
 
 
     def test_opposite_game_icecream(self):
@@ -426,27 +488,24 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assert_opposite_game_works(G)
 
 
-    def assert_orthogonality(self, L, K, e1, e2):
+    def assert_orthogonality(self, G):
         """
         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()
+        soln = G.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)
+        ip1 = inner_product(y_bar, G._L*x_bar - value*G._e1)
         self.assert_within_tol(ip1, 0)
 
-        ip2 = inner_product(value*e2 - L.trans()*y_bar, x_bar)
+        ip2 = inner_product(value*G._e2 - G._L.trans()*y_bar, x_bar)
         self.assert_within_tol(ip2, 0)
 
 
@@ -455,8 +514,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_orthant_game()
+        self.assert_orthogonality(G)
 
 
     def test_orthogonality_icecream(self):
@@ -464,8 +523,8 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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)
+        G = random_icecream_game()
+        self.assert_orthogonality(G)
 
 
     def test_positive_operator_value(self):
@@ -476,35 +535,50 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         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()[1:]
-        L = random_nonnegative_matrix(K.dimension())
+        G = random_orthant_game()
+        L = random_nonnegative_matrix(G._K.dimension())
+
+        # Replace the totally-random ``L`` with the random nonnegative one.
+        G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
 
-        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-        self.assertTrue(game.solution().game_value() >= -options.ABS_TOL)
+        while G._condition() > MAX_COND:
+            # Try again until the condition number is satisfactory.
+            G = random_orthant_game()
+            L = random_nonnegative_matrix(G._K.dimension())
+            G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
 
+        self.assertTrue(G.solution().game_value() >= -options.ABS_TOL)
 
-    def assert_lyapunov_works(self, L, K, e1, e2):
+
+    def assert_lyapunov_works(self, G):
         """
         Check that Lyapunov games act the way we expect.
         """
-        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
-        soln = game.solution()
+        soln = G.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.
-        eigs = eigenvalues_re(L)
-        if soln.game_value() > options.ABS_TOL:
+        #
+        # See :meth:`assert_within_tol` for an explanation of the
+        # fudge factors.
+        eigs = eigenvalues_re(G._L)
+        epsilon = 2*2*RANDOM_MAX*options.ABS_TOL
+        if soln.game_value() > epsilon:
             # L should be positive stable
             positive_stable = all([eig > -options.ABS_TOL for eig in eigs])
+            if not positive_stable:
+                print(str(eigs))
             self.assertTrue(positive_stable)
-        elif soln.game_value() < -options.ABS_TOL:
+        elif soln.game_value() < -epsilon:
             # L should be negative stable
             negative_stable = all([eig < options.ABS_TOL for eig in eigs])
+            if not negative_stable:
+                print(str(eigs))
             self.assertTrue(negative_stable)
 
         # The dual game's value should always equal the primal's.
-        dualsoln = game.dual().solution()
+        dualsoln = G.dual().solution()
         self.assert_within_tol(dualsoln.game_value(), soln.game_value())
 
 
@@ -512,17 +586,35 @@ class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
         """
         Test that a Lyapunov game on the nonnegative orthant works.
         """
-        (K, e1, e2) = random_orthant_params()[1:]
-        L = random_diagonal_matrix(K.dimension())
+        G = random_orthant_game()
+        L = random_diagonal_matrix(G._K.dimension())
 
-        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)
+        # Replace the totally-random ``L`` with random Lyapunov-like one.
+        G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
+
+        while G._condition() > MAX_COND:
+            # Try again until the condition number is satisfactory.
+            G = random_orthant_game()
+            L = random_diagonal_matrix(G._K.dimension())
+            G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
+
+        self.assert_lyapunov_works(G)
 
 
     def test_lyapunov_icecream(self):
         """
         Test that a Lyapunov game on the ice-cream cone works.
         """
-        (K, e1, e2) = random_icecream_params()[1:]
-        L = random_lyapunov_like_icecream(K.dimension())
+        G = random_icecream_game()
+        L = random_lyapunov_like_icecream(G._K.dimension())
+
+        # Replace the totally-random ``L`` with random Lyapunov-like one.
+        G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
+
+        while G._condition() > MAX_COND:
+            # Try again until the condition number is satisfactory.
+            G = random_orthant_game()
+            L = random_lyapunov_like_icecream(G._K.dimension())
+            G = SymmetricLinearGame(L, G._K, G._e1, G._e2)
 
-        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)
+        self.assert_lyapunov_works(G)