]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/doubly_nonnegative.py
mjo/cone: drop is_symmetric_p{s,}d() methods.
[sage.d.git] / mjo / cone / doubly_nonnegative.py
index 89bacb9ffff8ede8a76643e219a86da92d6ffa64..5e10e1aebaad4c17de9e129681a57bb736e72886 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-"""
+r"""
 The doubly-nonnegative cone in `S^{n}` is the set of all such matrices
 that both,
 
@@ -13,14 +13,9 @@ It is represented typically by either `\mathcal{D}^{n}` or
 
 from sage.all import *
 
-# Sage doesn't load ~/.sage/init.sage during testing (sage -t), so we
-# have to explicitly mangle our sitedir here so that "mjo.cone"
-# resolves.
-from os.path import abspath
-from site import addsitedir
-addsitedir(abspath('../../'))
-from mjo.cone.symmetric_psd import factor_psd, is_symmetric_psd
-
+from mjo.cone.symmetric_psd import (factor_psd,
+                                    random_symmetric_psd)
+from mjo.basis_repr import basis_repr
 
 
 def is_doubly_nonnegative(A):
@@ -36,6 +31,10 @@ def is_doubly_nonnegative(A):
     Either ``True`` if ``A`` is doubly-nonnegative, or ``False``
     otherwise.
 
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import is_doubly_nonnegative
+
     EXAMPLES:
 
     Every completely positive matrix is doubly-nonnegative::
@@ -58,13 +57,78 @@ def is_doubly_nonnegative(A):
         raise ValueError.new(msg)
 
     # Check that all of the entries of ``A`` are nonnegative.
-    if not all([ a >= 0 for a in A.list() ]):
+    if not all( a >= 0 for a in A.list() ):
         return False
 
     # It's nonnegative, so all we need to do is check that it's
     # symmetric positive-semidefinite.
-    return is_symmetric_psd(A)
+    return A.is_positive_semidefinite()
+
+
+
+def is_admissible_extreme_rank(r, n):
+    r"""
+    The extreme matrices of the doubly-nonnegative cone have some
+    restrictions on their ranks. This function checks to see whether the
+    rank ``r`` would be an admissible rank for an ``n``-by-``n`` matrix.
+
+    INPUT:
+
+    - ``r`` - The rank of the matrix.
+
+    - ``n`` - The dimension of the vector space on which the matrix acts.
+
+    OUTPUT:
+
+    Either ``True`` if a rank ``r`` matrix could be an extreme vector of
+    the doubly-nonnegative cone in `$\mathbb{R}^{n}$`, or ``False``
+    otherwise.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import is_admissible_extreme_rank
+
+    EXAMPLES:
+
+    For dimension 5, only ranks zero, one, and three are admissible::
+
+        sage: is_admissible_extreme_rank(0,5)
+        True
+        sage: is_admissible_extreme_rank(1,5)
+        True
+        sage: is_admissible_extreme_rank(2,5)
+        False
+        sage: is_admissible_extreme_rank(3,5)
+        True
+        sage: is_admissible_extreme_rank(4,5)
+        False
+        sage: is_admissible_extreme_rank(5,5)
+        False
+
+    When given an impossible rank, we just return false::
+
+        sage: is_admissible_extreme_rank(100,5)
+        False
+
+    """
+    if r == 0:
+        # Zero is in the doubly-nonnegative cone.
+        return True
 
+    if r > n:
+        # Impossible, just return False
+        return False
+
+    # See Theorem 3.1 in the cited reference.
+    if r == 2:
+        return False
+
+    if n.mod(2) == 0:
+        # n is even
+        return r <= max(1, n-3)
+    else:
+        # n is odd
+        return r <= max(1, n-2)
 
 
 def has_admissible_extreme_rank(A):
@@ -89,13 +153,43 @@ def has_admissible_extreme_rank(A):
     26 (1996), no. 4, 1371--1383. doi:10.1216/rmjm/1181071993.
     http://projecteuclid.org/euclid.rmjm/1181071993.
 
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import has_admissible_extreme_rank
+
     EXAMPLES:
 
     The zero matrix has rank zero, which is admissible::
 
-    sage: A = zero_matrix(QQ, 5, 5)
-    sage: has_admissible_extreme_rank(A)
-    True
+        sage: A = zero_matrix(QQ, 5, 5)
+        sage: has_admissible_extreme_rank(A)
+        True
+
+    Likewise, rank one is admissible for dimension 5::
+
+        sage: v = vector(QQ, [1,2,3,4,5])
+        sage: A = v.column()*v.row()
+        sage: has_admissible_extreme_rank(A)
+        True
+
+    But rank 2 is never admissible::
+
+        sage: v1 = vector(QQ, [1,0,0,0,0])
+        sage: v2 = vector(QQ, [0,1,0,0,0])
+        sage: A = v1.column()*v1.row() + v2.column()*v2.row()
+        sage: has_admissible_extreme_rank(A)
+        False
+
+    In dimension 5, three is the only other admissible rank::
+
+        sage: v1 = vector(QQ, [1,0,0,0,0])
+        sage: v2 = vector(QQ, [0,1,0,0,0])
+        sage: v3 = vector(QQ, [0,0,1,0,0])
+        sage: A = v1.column()*v1.row()
+        sage: A += v2.column()*v2.row()
+        sage: A += v3.column()*v3.row()
+        sage: has_admissible_extreme_rank(A)
+        True
 
     """
     if not A.is_symmetric():
@@ -106,20 +200,72 @@ def has_admissible_extreme_rank(A):
     r = rank(A)
     n = ZZ(A.nrows()) # Columns would work, too, since ``A`` is symmetric.
 
-    if r == 0:
-        # Zero is in the doubly-nonnegative cone.
-        return True
+    return is_admissible_extreme_rank(r,n)
 
-    # See Theorem 3.1 in the cited reference.
-    if r == 2:
-        return False
 
-    if n.mod(2) == 0:
-        # n is even
-        return r <= max(1, n-3)
-    else:
-        # n is odd
-        return r <= max(1, n-2)
+def stdE(matrix_space, i,j):
+    """
+    Return the ``i``,``j``th element of the standard basis in
+    ``matrix_space``.
+
+    INPUT:
+
+    - ``matrix_space`` - The underlying matrix space of whose basis
+                         the returned matrix is an element
+
+    - ``i`` - The row index of the single nonzero entry
+
+    - ``j`` - The column index of the single nonzero entry
+
+    OUTPUT:
+
+    A basis element of ``matrix_space``. It has a single \"1\" in the
+    ``i``,``j`` row,column and zeros elsewhere.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import stdE
+
+    EXAMPLES::
+
+        sage: M = MatrixSpace(ZZ, 2, 2)
+        sage: stdE(M,0,0)
+        [1 0]
+        [0 0]
+        sage: stdE(M,0,1)
+        [0 1]
+        [0 0]
+        sage: stdE(M,1,0)
+        [0 0]
+        [1 0]
+        sage: stdE(M,1,1)
+        [0 0]
+        [0 1]
+        sage: stdE(M,2,1)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        IndexError: Index `i` is out of bounds.
+        sage: stdE(M,1,2)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        IndexError: Index `j` is out of bounds.
+
+    """
+    # We need to check these ourselves, see below.
+    if i >= matrix_space.nrows():
+        raise IndexError('Index `i` is out of bounds.')
+    if j >= matrix_space.ncols():
+        raise IndexError('Index `j` is out of bounds.')
+
+    # The basis here is returned as a one-dimensional list, so we need
+    # to compute the offset into it based on ``i`` and ``j``. Since we
+    # compute the index ourselves, we need to do bounds-checking
+    # manually. Otherwise for e.g. a 2x2 matrix space, the index (0,2)
+    # would be computed as offset 3 into a four-element list and we
+    # would succeed incorrectly.
+    idx = matrix_space.ncols()*i + j
+    return list(matrix_space.basis())[idx]
+
 
 
 def is_extreme_doubly_nonnegative(A):
@@ -127,6 +273,20 @@ def is_extreme_doubly_nonnegative(A):
     Returns ``True`` if the given matrix is an extreme matrix of the
     doubly-nonnegative cone, and ``False`` otherwise.
 
+    REFERENCES:
+
+    1. Hamilton-Jester, Crista Lee; Li, Chi-Kwong. Extreme Vectors of
+       Doubly Nonnegative Matrices. Rocky Mountain Journal of Mathematics
+       26 (1996), no. 4, 1371--1383. doi:10.1216/rmjm/1181071993.
+       http://projecteuclid.org/euclid.rmjm/1181071993.
+
+    2. Berman, Abraham and Shaked-Monderer, Naomi. Completely Positive
+       Matrices. World Scientific, 2003.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import is_extreme_doubly_nonnegative
+
     EXAMPLES:
 
     The zero matrix is an extreme matrix::
@@ -135,15 +295,249 @@ def is_extreme_doubly_nonnegative(A):
         sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
         True
 
+    Any extreme vector of the completely positive cone is an extreme
+    vector of the doubly-nonnegative cone::
+
+        sage: v = vector([1,2,3,4,5,6])
+        sage: A = v.column() * v.row()
+        sage: A = A.change_ring(QQ)
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        True
+
+    We should be able to generate the extreme completely positive
+    vectors randomly::
+
+        sage: v = vector(map(abs, random_vector(ZZ, 4)))
+        sage: A = v.column() * v.row()
+        sage: A = A.change_ring(QQ)
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        True
+        sage: v = vector(map(abs, random_vector(ZZ, 10)))
+        sage: A = v.column() * v.row()
+        sage: A = A.change_ring(QQ)
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        True
+
+    The following matrix is completely positive but has rank 3, so by a
+    remark in reference #1 it is not extreme::
+
+        sage: A = matrix(QQ, [[1,2,1],[2,6,3],[1,3,5]])
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        False
+
+    The following matrix is completely positive (diagonal) with rank 2,
+    so it is also not extreme::
+
+        sage: A = matrix(QQ, [[1,0,0],[2,0,0],[0,0,0]])
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        False
+
     """
 
-    r = A.rank()
+    if not A.base_ring().is_exact() and not A.base_ring() is SR:
+        msg = 'The base ring of ``A`` must be either exact or symbolic.'
+        raise ValueError(msg)
 
-    if r == 0:
+    if not A.base_ring().is_field():
+        raise ValueError('The base ring of ``A`` must be a field.')
+
+    if not A.base_ring() is SR:
+        # Change the base field of ``A`` so that we are sure we can take
+        # roots. The symbolic ring has no algebraic_closure method.
+        A = A.change_ring(A.base_ring().algebraic_closure())
+
+    # Step 1 (see reference #1)
+    k = A.rank()
+
+    if k == 0:
         # Short circuit, we know the zero matrix is extreme.
         return True
 
-    if not is_admissible_extreme_rank(r):
+    if not A.is_positive_semidefinite():
         return False
 
-    raise NotImplementedError()
+    # Step 1.5, appeal to Theorem 3.1 in reference #1 to short
+    # circuit.
+    if not has_admissible_extreme_rank(A):
+        return False
+
+    # Step 2
+    X = factor_psd(A)
+
+    # Step 3
+    #
+    # Begin with an empty spanning set, and add a new matrix to it
+    # whenever we come across an index pair `$(i,j)$` with
+    # `$A_{ij} = 0$`.
+    spanning_set = []
+    for j in range(A.ncols()):
+        for i in range(j):
+            if A[i,j] == 0:
+                M = A.matrix_space()
+                S = X.transpose() * (stdE(M,i,j) + stdE(M,j,i)) * X
+                spanning_set.append(S)
+
+    # The spanning set that we have at this point is of matrices.  We
+    # only care about the dimension of the spanned space, and Sage
+    # can't compute the dimension of a set of matrices anyway, so we
+    # convert them all to vectors and just ask for the dimension of the
+    # resulting vector space.
+    (phi, phi_inverse) = basis_repr(A.matrix_space())
+    vectors = map(phi,spanning_set)
+
+    V = span(vectors, A.base_ring())
+    d = V.dimension()
+
+    # Needed to safely divide by two here (we don't want integer
+    # division). We ensured that the base ring of ``A`` is a field
+    # earlier.
+    two = A.base_ring()(2)
+    return d == (k*(k + 1)/two - 1)
+
+
+def random_doubly_nonnegative(V, accept_zero=True, rank=None):
+    """
+    Generate a random doubly nonnegative matrix over the vector
+    space ``V``. That is, the returned matrix will be a linear
+    transformation on ``V``, with the same base ring as ``V``.
+
+    We take a very loose interpretation of "random," here. Otherwise we
+    would never (for example) choose a matrix on the boundary of the
+    cone.
+
+    INPUT:
+
+    - ``V`` - The vector space on which the returned matrix will act.
+
+    - ``accept_zero`` - Do you want to accept the zero matrix (which
+                        is doubly nonnegative)? Default to ``True``.
+
+    - ``rank`` - Require the returned matrix to have the given rank
+                 (optional).
+
+    OUTPUT:
+
+    A random doubly nonnegative matrix, i.e. a linear transformation
+    from ``V`` to itself.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import (is_doubly_nonnegative,
+        ....:                                          random_doubly_nonnegative)
+
+    EXAMPLES:
+
+    Well, it doesn't crash at least::
+
+        sage: V = VectorSpace(QQ, 2)
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V)
+        sage: A.matrix_space()
+        Full MatrixSpace of 2 by 2 dense matrices over Rational Field
+        sage: is_doubly_nonnegative(A)
+        True
+
+    A matrix with the desired rank is returned::
+
+        sage: V = VectorSpace(QQ, 5)
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V,False,1)
+        sage: A.rank()
+        1
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V,False,2)
+        sage: A.rank()
+        2
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V,False,3)
+        sage: A.rank()
+        3
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V,False,4)
+        sage: A.rank()
+        4
+        sage: A = random_doubly_nonnegative(V,False,5)
+        sage: A.rank()
+        5
+
+    """
+
+    # Generate random symmetric positive-semidefinite matrices until
+    # one of them is nonnegative, then return that.
+    A = random_symmetric_psd(V, accept_zero, rank)
+
+    while not all( x >= 0 for x in A.list() ):
+        A = random_symmetric_psd(V, accept_zero, rank)
+
+    return A
+
+
+
+def random_extreme_doubly_nonnegative(V, accept_zero=True, rank=None):
+    """
+    Generate a random extreme doubly nonnegative matrix over the
+    vector space ``V``. That is, the returned matrix will be a linear
+    transformation on ``V``, with the same base ring as ``V``.
+
+    We take a very loose interpretation of "random," here. Otherwise we
+    would never (for example) choose a matrix on the boundary of the
+    cone.
+
+    INPUT:
+
+    - ``V`` - The vector space on which the returned matrix will act.
+
+    - ``accept_zero`` - Do you want to accept the zero matrix
+                        (which is extreme)? Defaults to ``True``.
+
+    - ``rank`` - Require the returned matrix to have the given rank
+                 (optional). WARNING: certain ranks are not possible
+                 in any given dimension! If an impossible rank is
+                 requested, a ValueError will be raised.
+
+    OUTPUT:
+
+    A random extreme doubly nonnegative matrix, i.e. a linear
+    transformation from ``V`` to itself.
+
+    SETUP::
+
+        sage: from mjo.cone.doubly_nonnegative import (is_extreme_doubly_nonnegative,
+        ....:                                          random_extreme_doubly_nonnegative)
+
+    EXAMPLES:
+
+    Well, it doesn't crash at least::
+
+        sage: V = VectorSpace(QQ, 2)
+        sage: A = random_extreme_doubly_nonnegative(V)
+        sage: A.matrix_space()
+        Full MatrixSpace of 2 by 2 dense matrices over Rational Field
+        sage: is_extreme_doubly_nonnegative(A)
+        True
+
+    Rank 2 is never allowed, so we expect an error::
+
+        sage: V = VectorSpace(QQ, 5)
+        sage: A = random_extreme_doubly_nonnegative(V, False, 2)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: Rank 2 not possible in dimension 5.
+
+    Rank 4 is not allowed in dimension 5::
+
+        sage: V = VectorSpace(QQ, 5)
+        sage: A = random_extreme_doubly_nonnegative(V, False, 4)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        ValueError: Rank 4 not possible in dimension 5.
+
+    """
+
+    if rank is not None and not is_admissible_extreme_rank(rank, V.dimension()):
+        msg = 'Rank %d not possible in dimension %d.'
+        raise ValueError(msg % (rank, V.dimension()))
+
+    # Generate random doubly-nonnegative matrices until
+    # one of them is extreme, then return that.
+    A = random_doubly_nonnegative(V, accept_zero, rank)
+
+    while not is_extreme_doubly_nonnegative(A):
+        A = random_doubly_nonnegative(V, accept_zero, rank)
+
+    return A