]> gitweb.michael.orlitzky.com - dunshire.git/commitdiff
Remove a unicode hyphen from a reference.
authorMichael Orlitzky <michael@orlitzky.com>
Wed, 26 Oct 2016 18:05:00 +0000 (14:05 -0400)
committerMichael Orlitzky <michael@orlitzky.com>
Wed, 26 Oct 2016 18:05:00 +0000 (14:05 -0400)
test/symmetric_linear_game_test.py [new file with mode: 0644]

diff --git a/test/symmetric_linear_game_test.py b/test/symmetric_linear_game_test.py
new file mode 100644 (file)
index 0000000..f61356d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,528 @@
+"""
+Unit tests for the :class:`SymmetricLinearGame` class.
+"""
+
+from math import sqrt
+from random import randint, uniform
+from unittest import TestCase
+
+from cvxopt import matrix
+from dunshire.cones import NonnegativeOrthant, IceCream
+from dunshire.games import SymmetricLinearGame
+from dunshire.matrices import (append_col, append_row, eigenvalues_re,
+                               identity, inner_product)
+from dunshire import options
+
+
+def random_matrix(dims):
+    """
+    Generate a random square matrix.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    dims : int
+        The number of rows/columns you want in the returned matrix.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix whose entries are random floats chosen uniformly from
+        the interval [-10, 10].
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = random_matrix(3)
+        >>> A.size
+        (3, 3)
+
+    """
+    return matrix([[uniform(-10, 10) for i in range(dims)]
+                   for j in range(dims)])
+
+
+def random_nonnegative_matrix(dims):
+    """
+    Generate a random square matrix with nonnegative entries.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    dims : int
+        The number of rows/columns you want in the returned matrix.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix whose entries are random floats chosen uniformly from
+        the interval [0, 10].
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = random_nonnegative_matrix(3)
+        >>> A.size
+        (3, 3)
+        >>> all([entry >= 0 for entry in A])
+        True
+
+    """
+    L = random_matrix(dims)
+    return matrix([abs(entry) for entry in L], (dims, dims))
+
+
+def random_diagonal_matrix(dims):
+    """
+    Generate a random square matrix with zero off-diagonal entries.
+
+    These matrices are Lyapunov-like on the nonnegative orthant, as is
+    fairly easy to see.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    dims : int
+        The number of rows/columns you want in the returned matrix.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix whose diagonal entries are random floats chosen
+        uniformly from the interval [-10, 10] and whose off-diagonal
+        entries are zero.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = random_diagonal_matrix(3)
+        >>> A.size
+        (3, 3)
+        >>> A[0,1] == A[0,2] == A[1,0] == A[2,0] == A[1,2] == A[2,1] == 0
+        True
+
+    """
+    return matrix([[uniform(-10, 10)*int(i == j) for i in range(dims)]
+                   for j in range(dims)])
+
+
+def random_skew_symmetric_matrix(dims):
+    """
+    Generate a random skew-symmetrix matrix.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    dims : int
+        The number of rows/columns you want in the returned matrix.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new skew-matrix whose strictly above-diagonal entries are
+        random floats chosen uniformly from the interval [-10, 10].
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> A = random_skew_symmetric_matrix(3)
+        >>> A.size
+        (3, 3)
+
+        >>> from dunshire.matrices import norm
+        >>> A = random_skew_symmetric_matrix(randint(1, 10))
+        >>> norm(A + A.trans()) < options.ABS_TOL
+        True
+
+    """
+    strict_ut = [[uniform(-10, 10)*int(i < j) for i in range(dims)]
+                 for j in range(dims)]
+
+    strict_ut = matrix(strict_ut, (dims, dims))
+    return strict_ut - strict_ut.trans()
+
+
+def random_lyapunov_like_icecream(dims):
+    r"""
+    Generate a random matrix Lyapunov-like on the ice-cream cone.
+
+    The form of these matrices is cited in Gowda and Tao
+    [GowdaTao]_. The scalar ``a`` and the vector ``b`` (using their
+    notation) are easy to generate. The submatrix ``D`` is a little
+    trickier, but it can be found noticing that :math:`C + C^{T} = 0`
+    for a skew-symmetric matrix :math:`C` implying that :math:`C + C^{T}
+    + \left(2a\right)I = \left(2a\right)I`. Thus we can stick an
+    :math:`aI` with each of :math:`C,C^{T}` and let those be our
+    :math:`D,D^{T}`.
+
+    Parameters
+    ----------
+
+    dims : int
+        The dimension of the ice-cream cone (not of the matrix you want!)
+        on which the returned matrix should be Lyapunov-like.
+
+    Returns
+    -------
+
+    matrix
+        A new matrix, Lyapunov-like on the ice-cream cone in ``dims``
+        dimensions, whose free entries are random floats chosen uniformly
+        from the interval [-10, 10].
+
+    References
+    ----------
+
+    .. [GowdaTao] M. S. Gowda and J. Tao. On the bilinearity rank of a
+       proper cone and Lyapunov-like transformations. Mathematical
+       Programming, 147:155-170, 2014.
+
+    Examples
+    --------
+
+        >>> L = random_lyapunov_like_icecream(3)
+        >>> L.size
+        (3, 3)
+        >>> x = matrix([1,1,0])
+        >>> s = matrix([1,-1,0])
+        >>> abs(inner_product(L*x, s)) < options.ABS_TOL
+        True
+
+    """
+    a = matrix([uniform(-10, 10)], (1, 1))
+    b = matrix([uniform(-10, 10) for idx in range(dims-1)], (dims-1, 1))
+    D = random_skew_symmetric_matrix(dims-1) + a*identity(dims-1)
+    row1 = append_col(a, b.trans())
+    row2 = append_col(b, D)
+    return append_row(row1, row2)
+
+
+def random_orthant_params():
+    """
+    Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
+    random game over the nonnegative orthant.
+    """
+    ambient_dim = randint(1, 10)
+    K = NonnegativeOrthant(ambient_dim)
+    e1 = [uniform(0.5, 10) for idx in range(K.dimension())]
+    e2 = [uniform(0.5, 10) for idx in range(K.dimension())]
+    L = random_matrix(K.dimension())
+    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
+
+
+def random_icecream_params():
+    """
+    Generate the ``L``, ``K``, ``e1``, and ``e2`` parameters for a
+    random game 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 = random_matrix(K.dimension())
+
+    return (L, K, matrix(e1), matrix(e2))
+
+
+# Tell pylint to shut up about the large number of methods.
+class SymmetricLinearGameTest(TestCase): # pylint: disable=R0904
+    """
+    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.
+        """
+        # 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(),
+                                 soln.player2_optimal())
+        self.assert_within_tol(soln.game_value(), expected)
+
+
+    def test_solution_exists_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.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = random_orthant_params()
+        self.assert_solution_exists(L, K, e1, e2)
+
+
+    def test_solution_exists_icecream(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def test_negative_value_z_operator(self):
+        """
+        Test the example given in Gowda/Ravindran of a Z-matrix with
+        negative game value on the nonnegative orthant.
+        """
+        K = NonnegativeOrthant(2)
+        e1 = [1, 1]
+        e2 = e1
+        L = [[1, -2], [-2, 1]]
+        G = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        self.assertTrue(G.solution().game_value() < -options.ABS_TOL)
+
+
+    def assert_scaling_works(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        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)
+        value2 = game2.solution().game_value()
+        self.assert_within_tol(alpha*value1, value2)
+
+
+    def test_scaling_orthant(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def test_scaling_icecream(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def assert_translation_works(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        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()
+
+        # This is the "correct" representation of ``M``, but COLUMN
+        # indexed...
+        M = L + alpha*tensor_prod
+
+        # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
+        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e1, e2)
+        value2 = game2.solution().game_value()
+
+        self.assert_within_tol(value1 + alpha, value2)
+
+        # Make sure the same optimal pair works.
+        self.assert_within_tol(value2, inner_product(M*x_bar, y_bar))
+
+
+    def test_translation_orthant(self):
+        """
+        Test that translation works over the nonnegative orthant.
+        """
+        (L, K, e1, e2) = random_orthant_params()
+        self.assert_translation_works(L, K, e1, e2)
+
+
+    def test_translation_icecream(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def assert_opposite_game_works(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        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()
+
+        # so we have to transpose it when we feed it to the constructor.
+        game2 = SymmetricLinearGame(M.trans(), K, e2, e1)
+
+        soln1 = game1.solution()
+        x_bar = soln1.player1_optimal()
+        y_bar = soln1.player2_optimal()
+        soln2 = game2.solution()
+
+        self.assert_within_tol(-soln1.game_value(), soln2.game_value())
+
+        # Make sure the switched optimal pair works.
+        self.assert_within_tol(soln2.game_value(),
+                               inner_product(M*y_bar, x_bar))
+
+
+    def test_opposite_game_orthant(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def test_opposite_game_icecream(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def assert_orthogonality(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        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()
+        x_bar = soln.player1_optimal()
+        y_bar = soln.player2_optimal()
+        value = soln.game_value()
+
+        ip1 = inner_product(y_bar, L*x_bar - value*e1)
+        self.assert_within_tol(ip1, 0)
+
+        ip2 = inner_product(value*e2 - L.trans()*y_bar, x_bar)
+        self.assert_within_tol(ip2, 0)
+
+
+    def test_orthogonality_orthant(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def test_orthogonality_icecream(self):
+        """
+        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)
+
+
+    def test_positive_operator_value(self):
+        """
+        Test that a positive operator on the nonnegative orthant gives
+        rise to a a game with a nonnegative value.
+
+        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())
+
+        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        self.assertTrue(game.solution().game_value() >= -options.ABS_TOL)
+
+
+    def assert_lyapunov_works(self, L, K, e1, e2):
+        """
+        Check that Lyapunov games act the way we expect.
+        """
+        game = SymmetricLinearGame(L, K, e1, e2)
+        soln = game.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:
+            # L should be positive stable
+            positive_stable = all([eig > -options.ABS_TOL for eig in eigs])
+            self.assertTrue(positive_stable)
+        elif soln.game_value() < -options.ABS_TOL:
+            # L should be negative stable
+            negative_stable = all([eig < options.ABS_TOL for eig in eigs])
+            self.assertTrue(negative_stable)
+
+        # The dual game's value should always equal the primal's.
+        dualsoln = game.dual().solution()
+        self.assert_within_tol(dualsoln.game_value(), soln.game_value())
+
+
+    def test_lyapunov_orthant(self):
+        """
+        Test that a Lyapunov game on the nonnegative orthant works.
+        """
+        (K, e1, e2) = random_orthant_params()[1:]
+        L = random_diagonal_matrix(K.dimension())
+
+        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)
+
+
+    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())
+
+        self.assert_lyapunov_works(L, K, e1, e2)