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eja: rename operator_inner_product -> operator_trace inner_product.
[sage.d.git] / mjo / eja / eja_utils.py
index 832dcef1fac0baa573b4883bc4e2ddd3fbfd55a8..a8abeff6be073b2b0aea3dd4f5af933c251666a5 100644 (file)
@@ -1,6 +1,4 @@
-from sage.functions.other import sqrt
-from sage.matrix.constructor import matrix
-from sage.modules.free_module_element import vector
+from sage.structure.element import is_Matrix
 
 def _scale(x, alpha):
     r"""
@@ -46,9 +44,25 @@ def _all2list(x):
     Flatten a vector, matrix, or cartesian product of those things
     into a long list.
 
-    EXAMPLES::
+    If the entries of the matrix themselves belong to a real vector
+    space (such as the complex numbers which can be thought of as
+    pairs of real numbers), they will also be expanded in vector form
+    and flattened into the list.
+
+    SETUP::
 
         sage: from mjo.eja.eja_utils import _all2list
+        sage: from mjo.hurwitz import (QuaternionMatrixAlgebra,
+        ....:                          Octonions,
+        ....:                          OctonionMatrixAlgebra)
+
+    EXAMPLES::
+
+        sage: _all2list([[1]])
+        [1]
+
+    ::
+
         sage: V1 = VectorSpace(QQ,2)
         sage: V2 = MatrixSpace(QQ,2)
         sage: x1 = V1([1,1])
@@ -65,28 +79,65 @@ def _all2list(x):
         sage: _all2list(M((x2,y2)))
         [1, -1, 0, 1, 1, 0]
 
+    ::
+
+        sage: _all2list(Octonions().one())
+        [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
+        sage: _all2list(OctonionMatrixAlgebra(1).one())
+        [1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
+
+    ::
+
+        sage: _all2list(QuaternionAlgebra(QQ, -1, -1).one())
+        [1, 0, 0, 0]
+        sage: _all2list(QuaternionMatrixAlgebra(1).one())
+        [1, 0, 0, 0]
+
+    ::
+
+        sage: V1 = VectorSpace(QQ,2)
+        sage: V2 = OctonionMatrixAlgebra(1,field=QQ)
+        sage: C = cartesian_product([V1,V2])
+        sage: x1 = V1([3,4])
+        sage: y1 = V2.one()
+        sage: _all2list(C( (x1,y1) ))
+        [3, 4, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
+
     """
-    if hasattr(x, 'list'):
-        # Easy case...
+    if hasattr(x, 'to_vector'):
+        # This works on matrices of e.g. octonions directly, without
+        # first needing to convert them to a list of octonions and
+        # then recursing down into the list. It also avoids the wonky
+        # list(x) when x is an element of a CFM. I don't know what it
+        # returns but it aint the coordinates. We don't recurse
+        # because vectors can only contain ring elements as entries.
+        return x.to_vector().list()
+
+    if is_Matrix(x):
+        # This sucks, but for performance reasons we don't want to
+        # call _all2list recursively on the contents of a matrix
+        # when we don't have to (they only contain ring elements
+        # as entries)
         return x.list()
-    else:
-        # But what if it's a tuple or something else? This has to
-        # handle cartesian products of cartesian products, too; that's
-        # why it's recursive.
-        return sum( map(_all2list,x), [] )
 
-def _mat2vec(m):
-        return vector(m.base_ring(), m.list())
+    try:
+        xl = list(x)
+    except TypeError: # x is not iterable
+        return [x]
+
+    if xl == [x]:
+        # Avoid the retardation of list(QQ(1)) == [1].
+        return [x]
+
+    return sum( map(_all2list, xl) , [])
 
-def _vec2mat(v):
-        return matrix(v.base_ring(), sqrt(v.degree()), v.list())
 
 def gram_schmidt(v, inner_product=None):
     """
     Perform Gram-Schmidt on the list ``v`` which are assumed to be
     vectors over the same base ring. Returns a list of orthonormalized
-    vectors over the smallest extention ring containing the necessary
-    roots.
+    vectors over the same base ring, which means that your base ring
+    needs to contain the appropriate roots.
 
     SETUP::
 
@@ -94,11 +145,21 @@ def gram_schmidt(v, inner_product=None):
 
     EXAMPLES:
 
+    If you start with an orthonormal set, you get it back. We can use
+    the rationals here because we don't need any square roots::
+
+        sage: v1 = vector(QQ, (1,0,0))
+        sage: v2 = vector(QQ, (0,1,0))
+        sage: v3 = vector(QQ, (0,0,1))
+        sage: v = [v1,v2,v3]
+        sage: gram_schmidt(v) == v
+        True
+
     The usual inner-product and norm are default::
 
-        sage: v1 = vector(QQ,(1,2,3))
-        sage: v2 = vector(QQ,(1,-1,6))
-        sage: v3 = vector(QQ,(2,1,-1))
+        sage: v1 = vector(AA,(1,2,3))
+        sage: v2 = vector(AA,(1,-1,6))
+        sage: v3 = vector(AA,(2,1,-1))
         sage: v = [v1,v2,v3]
         sage: u = gram_schmidt(v)
         sage: all( u_i.inner_product(u_i).sqrt() == 1 for u_i in u )
@@ -115,11 +176,11 @@ def gram_schmidt(v, inner_product=None):
     orthonormal with respect to that (and not the usual inner
     product)::
 
-        sage: v1 = vector(QQ,(1,2,3))
-        sage: v2 = vector(QQ,(1,-1,6))
-        sage: v3 = vector(QQ,(2,1,-1))
+        sage: v1 = vector(AA,(1,2,3))
+        sage: v2 = vector(AA,(1,-1,6))
+        sage: v3 = vector(AA,(2,1,-1))
         sage: v = [v1,v2,v3]
-        sage: B = matrix(QQ, [ [6, 4, 2],
+        sage: B = matrix(AA, [ [6, 4, 2],
         ....:                  [4, 5, 4],
         ....:                  [2, 4, 9] ])
         sage: ip = lambda x,y: (B*x).inner_product(y)
@@ -137,18 +198,18 @@ def gram_schmidt(v, inner_product=None):
     This Gram-Schmidt routine can be used on matrices as well, so long
     as an appropriate inner-product is provided::
 
-        sage: E11 = matrix(QQ, [ [1,0],
+        sage: E11 = matrix(AA, [ [1,0],
         ....:                    [0,0] ])
-        sage: E12 = matrix(QQ, [ [0,1],
+        sage: E12 = matrix(AA, [ [0,1],
         ....:                    [1,0] ])
-        sage: E22 = matrix(QQ, [ [0,0],
+        sage: E22 = matrix(AA, [ [0,0],
         ....:                    [0,1] ])
-        sage: I = matrix.identity(QQ,2)
+        sage: I = matrix.identity(AA,2)
         sage: trace_ip = lambda X,Y: (X*Y).trace()
         sage: gram_schmidt([E11,E12,I,E22], inner_product=trace_ip)
         [
-        [1 0]  [          0 1/2*sqrt(2)]  [0 0]
-        [0 0], [1/2*sqrt(2)           0], [0 1]
+        [1 0]  [                  0 0.7071067811865475?]  [0 0]
+        [0 0], [0.7071067811865475?                   0], [0 1]
         ]
 
     It even works on Cartesian product spaces whose factors are vector
@@ -177,54 +238,45 @@ def gram_schmidt(v, inner_product=None):
 
     Ensure that zero vectors don't get in the way::
 
-        sage: v1 = vector(QQ,(1,2,3))
-        sage: v2 = vector(QQ,(1,-1,6))
-        sage: v3 = vector(QQ,(0,0,0))
+        sage: v1 = vector(AA,(1,2,3))
+        sage: v2 = vector(AA,(1,-1,6))
+        sage: v3 = vector(AA,(0,0,0))
         sage: v = [v1,v2,v3]
         sage: len(gram_schmidt(v)) == 2
         True
-    """
-    if inner_product is None:
-        inner_product = lambda x,y: x.inner_product(y)
-    norm = lambda x: inner_product(x,x).sqrt()
-
-    v = list(v) # make a copy, don't clobber the input
-
-    # Drop all zero vectors before we start.
-    v = [ v_i for v_i in v if not v_i.is_zero() ]
 
+    """
     if len(v) == 0:
         # cool
         return v
 
-    R = v[0].base_ring()
+    V = v[0].parent()
 
-    # Our "zero" needs to belong to the right space for sum() to work.
-    zero = v[0].parent().zero()
+    if inner_product is None:
+        inner_product = lambda x,y: x.inner_product(y)
 
     sc = lambda x,a: a*x
-    if hasattr(v[0], 'cartesian_factors'):
+    if hasattr(V, 'cartesian_factors'):
         # Only use the slow implementation if necessary.
         sc = _scale
 
     def proj(x,y):
+        # project y onto the span of {x}
         return sc(x, (inner_product(x,y)/inner_product(x,x)))
 
-    # First orthogonalize...
-    for i in range(1,len(v)):
-        # Earlier vectors can be made into zero so we have to ignore them.
-        v[i] -= sum( (proj(v[j],v[i])
-                      for j in range(i)
-                      if not v[j].is_zero() ),
-                     zero )
+    def normalize(x):
+        # Don't extend the given field with the necessary
+        # square roots. This will probably throw weird
+        # errors about the symbolic ring if you e.g. try
+        # to use it on a set of rational vectors that isn't
+        # already orthonormalized.
+        return sc(x, ~inner_product(x,x).sqrt())
 
-    # And now drop all zero vectors again if they were "orthogonalized out."
-    v = [ v_i for v_i in v if not v_i.is_zero() ]
+    v_out = [] # make a copy, don't clobber the input
 
-    # Just normalize. If the algebra is missing the roots, we can't add
-    # them here because then our subalgebra would have a bigger field
-    # than the superalgebra.
-    for i in range(len(v)):
-        v[i] = sc(v[i], ~norm(v[i]))
+    for (i, v_i) in enumerate(v):
+        ortho_v_i = v_i - V.sum( proj(v_out[j],v_i) for j in range(i) )
+        if not ortho_v_i.is_zero():
+            v_out.append(normalize(ortho_v_i))
 
-    return v
+    return v_out