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r""" 

Enumeration of rational points on projective schemes 

 

Naive algorithms for enumerating rational points over `\QQ` or finite fields 

over for general schemes. 

 

.. WARNING:: 

 

Incorrect results and infinite loops may occur if using a wrong function. 

(For instance using an affine function for a projective scheme or a finite 

field function for a scheme defined over an infinite field.) 

 

EXAMPLES: 

 

Projective, over `\QQ`:: 

 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_rational_field 

sage: P.<X,Y,Z> = ProjectiveSpace(2,QQ) 

sage: C = P.subscheme([X+Y-Z]) 

sage: enum_projective_rational_field(C, 3) 

[(-2 : 3 : 1), (-1 : 1 : 0), (-1 : 2 : 1), (-1/2 : 3/2 : 1), 

(0 : 1 : 1), (1/3 : 2/3 : 1), (1/2 : 1/2 : 1), (2/3 : 1/3 : 1), 

(1 : 0 : 1), (3/2 : -1/2 : 1), (2 : -1 : 1), (3 : -2 : 1)] 

 

 

Projective over a finite field:: 

 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_finite_field 

sage: E = EllipticCurve('72').change_ring(GF(19)) 

sage: enum_projective_finite_field(E) 

[(0 : 1 : 0), (1 : 0 : 1), (3 : 0 : 1), (4 : 9 : 1), (4 : 10 : 1), 

(6 : 6 : 1), (6 : 13 : 1), (7 : 6 : 1), (7 : 13 : 1), (9 : 4 : 1), 

(9 : 15 : 1), (12 : 8 : 1), (12 : 11 : 1), (13 : 8 : 1), (13 : 11 : 1), 

(14 : 3 : 1), (14 : 16 : 1), (15 : 0 : 1), (16 : 9 : 1), (16 : 10 : 1), 

(17 : 7 : 1), (17 : 12 : 1), (18 : 9 : 1), (18 : 10 : 1)] 

 

 

AUTHORS: 

 

- David R. Kohel <kohel@maths.usyd.edu.au>: original version. 

 

- John Cremona and Charlie Turner <charlotteturner@gmail.com> (06-2010): 

improvements to clarity and documentation. 

""" 

 

#***************************************************************************** 

# Copyright (C) 2010 William Stein, David Kohel, John Cremona, Charlie Turner 

# 

# This program is free software: you can redistribute it and/or modify 

# it under the terms of the GNU General Public License as published by 

# the Free Software Foundation, either version 2 of the License, or 

# (at your option) any later version. 

# http://www.gnu.org/licenses/ 

#***************************************************************************** 

 

 

from sage.arith.all import gcd, srange 

from sage.rings.all import ZZ 

from sage.misc.all import cartesian_product_iterator 

from sage.schemes.generic.scheme import is_Scheme 

 

def enum_projective_rational_field(X,B): 

r""" 

Enumerates projective, rational points on scheme ``X`` of height up to 

bound ``B``. 

 

INPUT: 

 

- ``X`` - a scheme or set of abstract rational points of a scheme. 

 

- ``B`` - a positive integer bound. 

 

OUTPUT: 

 

- a list containing the projective points of ``X`` of height up to ``B``, 

sorted. 

 

EXAMPLES:: 

 

sage: P.<X,Y,Z> = ProjectiveSpace(2, QQ) 

sage: C = P.subscheme([X+Y-Z]) 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_rational_field 

sage: enum_projective_rational_field(C(QQ), 6) 

[(-5 : 6 : 1), (-4 : 5 : 1), (-3 : 4 : 1), (-2 : 3 : 1), 

(-3/2 : 5/2 : 1), (-1 : 1 : 0), (-1 : 2 : 1), (-2/3 : 5/3 : 1), 

(-1/2 : 3/2 : 1), (-1/3 : 4/3 : 1), (-1/4 : 5/4 : 1), 

(-1/5 : 6/5 : 1), (0 : 1 : 1), (1/6 : 5/6 : 1), (1/5 : 4/5 : 1), 

(1/4 : 3/4 : 1), (1/3 : 2/3 : 1), (2/5 : 3/5 : 1), (1/2 : 1/2 : 1), 

(3/5 : 2/5 : 1), (2/3 : 1/3 : 1), (3/4 : 1/4 : 1), (4/5 : 1/5 : 1), 

(5/6 : 1/6 : 1), (1 : 0 : 1), (6/5 : -1/5 : 1), (5/4 : -1/4 : 1), 

(4/3 : -1/3 : 1), (3/2 : -1/2 : 1), (5/3 : -2/3 : 1), (2 : -1 : 1), 

(5/2 : -3/2 : 1), (3 : -2 : 1), (4 : -3 : 1), (5 : -4 : 1), 

(6 : -5 : 1)] 

sage: enum_projective_rational_field(C,6) == enum_projective_rational_field(C(QQ),6) 

True 

 

:: 

 

sage: P3.<W,X,Y,Z> = ProjectiveSpace(3, QQ) 

sage: enum_projective_rational_field(P3, 1) 

[(-1 : -1 : -1 : 1), (-1 : -1 : 0 : 1), (-1 : -1 : 1 : 0), (-1 : -1 : 1 : 1), 

(-1 : 0 : -1 : 1), (-1 : 0 : 0 : 1), (-1 : 0 : 1 : 0), (-1 : 0 : 1 : 1), 

(-1 : 1 : -1 : 1), (-1 : 1 : 0 : 0), (-1 : 1 : 0 : 1), (-1 : 1 : 1 : 0), 

(-1 : 1 : 1 : 1), (0 : -1 : -1 : 1), (0 : -1 : 0 : 1), (0 : -1 : 1 : 0), 

(0 : -1 : 1 : 1), (0 : 0 : -1 : 1), (0 : 0 : 0 : 1), (0 : 0 : 1 : 0), 

(0 : 0 : 1 : 1), (0 : 1 : -1 : 1), (0 : 1 : 0 : 0), (0 : 1 : 0 : 1), 

(0 : 1 : 1 : 0), (0 : 1 : 1 : 1), (1 : -1 : -1 : 1), (1 : -1 : 0 : 1), 

(1 : -1 : 1 : 0), (1 : -1 : 1 : 1), (1 : 0 : -1 : 1), (1 : 0 : 0 : 0), 

(1 : 0 : 0 : 1), (1 : 0 : 1 : 0), (1 : 0 : 1 : 1), (1 : 1 : -1 : 1), 

(1 : 1 : 0 : 0), (1 : 1 : 0 : 1), (1 : 1 : 1 : 0), (1 : 1 : 1 : 1)] 

 

ALGORITHM: 

 

We just check all possible projective points in correct dimension 

of projective space to see if they lie on ``X``. 

 

AUTHORS: 

 

- John Cremona and Charlie Turner (06-2010) 

""" 

from sage.schemes.projective.projective_space import is_ProjectiveSpace 

if(is_Scheme(X)): 

if (not is_ProjectiveSpace(X.ambient_space())): 

raise TypeError("ambient space must be projective space over the rational field") 

X = X(X.base_ring()) 

else: 

if (not is_ProjectiveSpace(X.codomain().ambient_space())): 

raise TypeError("codomain must be projective space over the rational field") 

 

n = X.codomain().ambient_space().ngens() 

zero = (0,) * n 

pts = [] 

for c in cartesian_product_iterator([srange(-B,B+1) for _ in range(n)]): 

if gcd(c) == 1 and c > zero: 

try: 

pts.append(X(c)) 

except TypeError: 

pass 

pts.sort() 

return pts 

 

 

def enum_projective_number_field(X,B, prec=53): 

""" 

Enumerates projective points on scheme ``X`` defined over a number field. 

 

Simply checks all of the points of absolute height of at most ``B`` 

and adds those that are on the scheme to the list. 

 

INPUT: 

 

- ``X`` - a scheme defined over a number field. 

 

- ``B`` - a real number. 

 

- ``prec`` - the precision to use for computing the elements of bounded height of number fields. 

 

OUTPUT: 

 

- a list containing the projective points of ``X`` of absolute height up to ``B``, 

sorted. 

 

.. WARNING:: 

 

In the current implementation, the output of the [Doyle-Krumm] algorithm 

for elements of bounded height cannot be guaranteed to be correct due to 

the necessity of floating point computations. In some cases, the default 

53-bit precision is considerably lower than would be required for the 

algorithm to generate correct output. 

 

EXAMPLES:: 

 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_number_field 

sage: u = QQ['u'].0 

sage: K = NumberField(u^3 - 5,'v') 

sage: P.<x,y,z> = ProjectiveSpace(K, 2) 

sage: X = P.subscheme([x - y]) 

sage: enum_projective_number_field(X(K), 5^(1/3), prec=2^10) 

[(0 : 0 : 1), (-1 : -1 : 1), (1 : 1 : 1), (-1/5*v^2 : -1/5*v^2 : 1), (-v : -v : 1), 

(1/5*v^2 : 1/5*v^2 : 1), (v : v : 1), (1 : 1 : 0)] 

 

:: 

 

sage: u = QQ['u'].0 

sage: K = NumberField(u^2 + 3, 'v') 

sage: A.<x,y> = ProjectiveSpace(K,1) 

sage: X = A.subscheme(x-y) 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_number_field 

sage: enum_projective_number_field(X, 2) 

[(1 : 1)] 

""" 

from sage.schemes.projective.projective_space import is_ProjectiveSpace 

if(is_Scheme(X)): 

if (not is_ProjectiveSpace(X.ambient_space())): 

raise TypeError("ambient space must be projective space over a number field") 

X = X(X.base_ring()) 

else: 

if (not is_ProjectiveSpace(X.codomain().ambient_space())): 

raise TypeError("codomain must be projective space over a number field") 

 

R = X.codomain().ambient_space() 

 

pts = [] 

 

for P in R.points_of_bounded_height(B, prec): 

try: 

pts.append(X(P)) 

except TypeError: 

pass 

pts.sort() 

return pts 

 

 

def enum_projective_finite_field(X): 

""" 

Enumerates projective points on scheme ``X`` defined over a finite field. 

 

INPUT: 

 

- ``X`` - a scheme defined over a finite field or a set of abstract 

rational points of such a scheme. 

 

OUTPUT: 

 

- a list containing the projective points of ``X`` over the finite field, 

sorted. 

 

EXAMPLES:: 

 

sage: F = GF(53) 

sage: P.<X,Y,Z> = ProjectiveSpace(2,F) 

sage: from sage.schemes.projective.projective_rational_point import enum_projective_finite_field 

sage: len(enum_projective_finite_field(P(F))) 

2863 

sage: 53^2+53+1 

2863 

 

:: 

 

sage: F = GF(9,'a') 

sage: P.<X,Y,Z> = ProjectiveSpace(2,F) 

sage: C = Curve(X^3-Y^3+Z^2*Y) 

sage: enum_projective_finite_field(C(F)) 

[(0 : 0 : 1), (0 : 1 : 1), (0 : 2 : 1), (1 : 1 : 0), (a + 1 : 2*a : 1), 

(a + 1 : 2*a + 1 : 1), (a + 1 : 2*a + 2 : 1), (2*a + 2 : a : 1), 

(2*a + 2 : a + 1 : 1), (2*a + 2 : a + 2 : 1)] 

 

:: 

 

sage: F = GF(5) 

sage: P2F.<X,Y,Z> = ProjectiveSpace(2,F) 

sage: enum_projective_finite_field(P2F) 

[(0 : 0 : 1), (0 : 1 : 0), (0 : 1 : 1), (0 : 2 : 1), (0 : 3 : 1), (0 : 4 : 1), 

(1 : 0 : 0), (1 : 0 : 1), (1 : 1 : 0), (1 : 1 : 1), (1 : 2 : 1), (1 : 3 : 1), 

(1 : 4 : 1), (2 : 0 : 1), (2 : 1 : 0), (2 : 1 : 1), (2 : 2 : 1), (2 : 3 : 1), 

(2 : 4 : 1), (3 : 0 : 1), (3 : 1 : 0), (3 : 1 : 1), (3 : 2 : 1), (3 : 3 : 1), 

(3 : 4 : 1), (4 : 0 : 1), (4 : 1 : 0), (4 : 1 : 1), (4 : 2 : 1), (4 : 3 : 1), 

(4 : 4 : 1)] 

 

ALGORITHM: 

 

Checks all points in projective space to see if they lie on ``X``. 

 

.. WARNING:: 

 

If ``X`` is defined over an infinite field, this code will not finish! 

 

AUTHORS: 

 

- John Cremona and Charlie Turner (06-2010). 

""" 

from sage.schemes.projective.projective_space import is_ProjectiveSpace 

if(is_Scheme(X)): 

if (not is_ProjectiveSpace(X.ambient_space())): 

raise TypeError("ambient space must be projective space over a finite") 

X = X(X.base_ring()) 

else: 

if (not is_ProjectiveSpace(X.codomain().ambient_space())): 

raise TypeError("codomain must be projective space over a finite field") 

 

n = X.codomain().ambient_space().ngens()-1 

F = X.value_ring() 

pts = [] 

for k in range(n+1): 

for c in cartesian_product_iterator([F for _ in range(k)]): 

try: 

pts.append(X(list(c)+[1]+[0]*(n-k))) 

except TypeError: 

pass 

pts.sort() 

return pts