]> gitweb.michael.orlitzky.com - sage.d.git/blobdiff - mjo/cone/doubly_nonnegative.py
Implement the is_extreme_doubly_nonnegative() function, first shot.
[sage.d.git] / mjo / cone / doubly_nonnegative.py
index b071e41dc332a709a527588bd8f665e80eeb4c17..4f7f950bb2c897509c2cb4b41d5200bccfd67c49 100644 (file)
@@ -14,13 +14,13 @@ 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.
+# have to explicitly mangle our sitedir here so that our module names
+# resolve.
 from os.path import abspath
 from site import addsitedir
 addsitedir(abspath('../../'))
-from mjo.cone.symmetric_psd import factor_psd
-
+from mjo.cone.symmetric_psd import factor_psd, is_symmetric_psd
+from mjo.matrix_vector import isomorphism
 
 
 def is_doubly_nonnegative(A):
@@ -29,7 +29,7 @@ def is_doubly_nonnegative(A):
 
     INPUT:
 
-      - ``A`` - The matrix in question
+    - ``A`` - The matrix in question
 
     OUTPUT:
 
@@ -54,22 +54,132 @@ def is_doubly_nonnegative(A):
     """
 
     if A.base_ring() == SR:
-        msg = 'The base ring of ``A`` cannot be the Symbolic Ring'
+        msg = 'The matrix ``A`` cannot be the symbolic.'
         raise ValueError.new(msg)
 
-    # First make sure that ``A`` is symmetric.
-    if not A.is_symmetric():
-        return False
-
     # Check that all of the entries of ``A`` are nonnegative.
     if not all([ a >= 0 for a in A.list() ]):
         return False
 
-    # If ``A`` is symmetric and non-negative, we only need to check
-    # that it is positive semidefinite. For that we can consult its
-    # minimum eigenvalue, which should be zero or greater. Since ``A``
-    # is symmetric, its eigenvalues are guaranteed to be real.
-    return min(A.eigenvalues()) >= 0
+    # It's nonnegative, so all we need to do is check that it's
+    # symmetric positive-semidefinite.
+    return is_symmetric_psd(A)
+
+
+
+def has_admissible_extreme_rank(A):
+    """
+    The extreme matrices of the doubly-nonnegative cone have some
+    restrictions on their ranks. This function checks to see whether or
+    not ``A`` could be extreme based on its rank.
+
+    INPUT:
+
+    - ``A`` - The matrix in question
+
+    OUTPUT:
+
+    ``False`` if the rank of ``A`` precludes it from being an extreme
+    matrix of the doubly-nonnegative cone, ``True`` otherwise.
+
+    REFERENCE:
+
+    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.
+
+    EXAMPLES:
+
+    The zero matrix has rank zero, which is admissible::
+
+    sage: A = zero_matrix(QQ, 5, 5)
+    sage: has_admissible_extreme_rank(A)
+    True
+
+    """
+    if not A.is_symmetric():
+        # This function is more or less internal, so blow up if passed
+        # something unexpected.
+        raise ValueError('The matrix ``A`` must be symmetric.')
+
+    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
+
+    # 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 E(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.
+
+    EXAMPLES::
+
+        sage: M = MatrixSpace(ZZ, 2, 2)
+        sage: E(M,0,0)
+        [1 0]
+        [0 0]
+        sage: E(M,0,1)
+        [0 1]
+        [0 0]
+        sage: E(M,1,0)
+        [0 0]
+        [1 0]
+        sage: E(M,1,1)
+        [0 0]
+        [0 1]
+        sage: E(M,2,1)
+        Traceback (most recent call last):
+        ...
+        IndexError: Index `i` is out of bounds.
+        sage: E(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 matrix_space.basis()[idx]
 
 
 
@@ -77,5 +187,120 @@ 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.
+
+    EXAMPLES:
+
+    The zero matrix is an extreme matrix::
+
+        sage: A = zero_matrix(QQ, 5, 5)
+        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
+
     """
-    raise NotImplementedError()
+
+    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 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_symmetric_psd(A):
+        return False
+
+    # 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(0, A.ncols()):
+        for i in range(0,j):
+            if A[i,j] == 0:
+                M = A.matrix_space()
+                S = X.transpose() * (E(M,i,j) + E(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) = isomorphism(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)