]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/cln.tex
Make out of the box build on x86_64 system with complete 32 bit
[cln.git] / doc / cln.tex
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename cln.info
4 @settitle CLN, a Class Library for Numbers
5 @c @setchapternewpage off
6 @c For `info' only.
7 @paragraphindent 0
8 @c For TeX only.
9 @iftex
10 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
11 @parindent=0pt
12 @end iftex
13 @c %**end of header
14
15 @direntry
16 * CLN: (cln).                       Class Library for Numbers (C++).
17 @end direntry
18
19 @c My own index.
20 @defindex my
21 @c Don't need the other types of indices.
22 @synindex cp my
23 @synindex fn my
24 @synindex vr my
25 @synindex ky my
26 @synindex pg my
27 @synindex tp my
28
29
30 @c For `info' only.
31 @ifinfo
32 This file documents @sc{cln}, a Class Library for Numbers.
33
34 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
35 Richard B. Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
36
37 Copyright (C)  Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004.
38 Copyright (C)  Richard B. Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004.
39
40 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
41 this manual provided the copyright notice and this permission notice
42 are preserved on all copies.
43
44 @ignore
45 Permission is granted to process this file through TeX and print the
46 results, provided the printed document carries copying permission
47 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
48 (this paragraph not being relevant to the printed manual).
49
50 @end ignore
51 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
52 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
53 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
54 notice identical to this one.
55
56 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
57 into another language, under the above conditions for modified versions,
58 except that this permission notice may be stated in a translation approved
59 by the author.
60 @end ifinfo
61
62
63 @c For TeX only.
64 @c prevent ugly black rectangles on overfull hbox lines:
65 @finalout
66 @titlepage
67 @title CLN, a Class Library for Numbers
68
69 @author by Bruno Haible
70 @page
71 @vskip 0pt plus 1filll
72 Copyright @copyright{} Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004.
73 @sp 0
74 Copyright @copyright{} Richard Kreckel 2000, 2001, 2002, 2003, 2004.
75
76 @sp 2
77 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
78 Richard Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
79
80 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
81 this manual provided the copyright notice and this permission notice
82 are preserved on all copies.
83
84 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
85 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
86 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
87 notice identical to this one.
88
89 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
90 into another language, under the above conditions for modified versions,
91 except that this permission notice may be stated in a translation approved
92 by the author.
93
94 @end titlepage
95 @page
96
97
98 @c Table of contents
99 @contents
100
101
102 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
103
104 @c @menu
105 @c * Introduction::                Introduction
106 @c @end menu
107
108
109 @node Introduction, Top, Top, Top
110 @comment node-name, next, previous, up
111 @chapter Introduction
112
113 @noindent
114 CLN is a library for computations with all kinds of numbers.
115 It has a rich set of number classes:
116
117 @itemize @bullet
118 @item
119 Integers (with unlimited precision),
120
121 @item
122 Rational numbers,
123
124 @item
125 Floating-point numbers:
126
127 @itemize @minus
128 @item
129 Short float,
130 @item
131 Single float,
132 @item
133 Double float,
134 @item
135 Long float (with unlimited precision),
136 @end itemize
137
138 @item
139 Complex numbers,
140
141 @item
142 Modular integers (integers modulo a fixed integer),
143
144 @item
145 Univariate polynomials.
146 @end itemize
147
148 @noindent
149 The subtypes of the complex numbers among these are exactly the
150 types of numbers known to the Common Lisp language. Therefore
151 @code{CLN} can be used for Common Lisp implementations, giving
152 @samp{CLN} another meaning: it becomes an abbreviation of
153 ``Common Lisp Numbers''.
154
155 @noindent
156 The CLN package implements
157
158 @itemize @bullet
159 @item
160 Elementary functions (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt},
161 comparisons, @dots{}),
162
163 @item
164 Logical functions (logical @code{and}, @code{or}, @code{not}, @dots{}),
165
166 @item
167 Transcendental functions (exponential, logarithmic, trigonometric, hyperbolic
168 functions and their inverse functions).
169 @end itemize
170
171 @noindent
172 CLN is a C++ library. Using C++ as an implementation language provides
173
174 @itemize @bullet
175 @item
176 efficiency: it compiles to machine code,
177 @item
178 type safety: the C++ compiler knows about the number types and complains
179 if, for example, you try to assign a float to an integer variable.
180 @item
181 algebraic syntax: You can use the @code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{=},
182 @code{==}, @dots{} operators as in C or C++.
183 @end itemize
184
185 @noindent
186 CLN is memory efficient:
187
188 @itemize @bullet
189 @item
190 Small integers and short floats are immediate, not heap allocated.
191 @item
192 Heap-allocated memory is reclaimed through an automatic, non-interruptive
193 garbage collection.
194 @end itemize
195
196 @noindent
197 CLN is speed efficient:
198
199 @itemize @bullet
200 @item
201 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
202 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
203 @item
204 @cindex GMP
205 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
206 routines from GNU GMP version 3.
207 @item
208 It uses Karatsuba multiplication, which is significantly faster
209 for large numbers than the standard multiplication algorithm.
210 @item
211 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), it uses
212 @iftex
213 Sch{@"o}nhage-Strassen
214 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
215 @end iftex
216 @ifinfo
217 Schnhage-Strassen
218 @cindex Schnhage-Strassen multiplication
219 @end ifinfo
220 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication
221 algorithm, for multiplication, division and radix conversion.
222 @end itemize
223
224 @noindent
225 CLN aims at being easily integrated into larger software packages:
226
227 @itemize @bullet
228 @item
229 The garbage collection imposes no burden on the main application.
230 @item
231 The library provides hooks for memory allocation and exceptions.
232 @item
233 @cindex namespace
234 All non-macro identifiers are hidden in namespace @code{cln} in 
235 order to avoid name clashes.
236 @end itemize
237
238
239 @chapter Installation
240
241 This section describes how to install the CLN package on your system.
242
243
244 @section Prerequisites
245
246 @subsection C++ compiler
247
248 To build CLN, you need a C++ compiler.
249 Actually, you need GNU @code{g++ 2.95} or newer.
250
251 The following C++ features are used:
252 classes, member functions, overloading of functions and operators,
253 constructors and destructors, inline, const, multiple inheritance,
254 templates and namespaces.
255
256 The following C++ features are not used:
257 @code{new}, @code{delete}, virtual inheritance, exceptions.
258
259 CLN relies on semi-automatic ordering of initializations
260 of static and global variables, a feature which I could
261 implement for GNU g++ only.
262
263 @ignore
264 @comment cl_modules.h requires g++
265 Therefore nearly any C++ compiler will do.
266
267 The following C++ compilers are known to compile CLN:
268 @itemize @minus
269 @item
270 GNU @code{g++ 2.7.0}, @code{g++ 2.7.2}
271 @item
272 SGI @code{CC 4}
273 @end itemize
274
275 The following C++ compilers are known to be unusable for CLN:
276 @itemize @minus
277 @item
278 On SunOS 4, @code{CC 2.1}, because it doesn't grok @code{//} comments
279 in lines containing @code{#if} or @code{#elif} preprocessor commands.
280 @item
281 On AIX 3.2.5, @code{xlC}, because it doesn't grok the template syntax
282 in @code{cl_SV.h} and @code{cl_GV.h}, because it forces most class types
283 to have default constructors, and because it probably miscompiles the
284 integer multiplication routines.
285 @item
286 On AIX 4.1.4.0, @code{xlC}, because when optimizing, it sometimes converts
287 @code{short}s to @code{int}s by zero-extend.
288 @item
289 GNU @code{g++ 2.5.8}
290 @item
291 On HPPA, GNU @code{g++ 2.7.x}, because the semi-automatic ordering of
292 initializations will not work.
293 @end itemize
294 @end ignore
295
296 @subsection Make utility
297 @cindex @code{make}
298
299 To build CLN, you also need to have GNU @code{make} installed.
300
301 Only GNU @code{make} 3.77 is unusable for CLN; other versions work fine.
302
303 @subsection Sed utility
304 @cindex @code{sed}
305
306 To build CLN on HP-UX, you also need to have GNU @code{sed} installed.
307 This is because the libtool script, which creates the CLN library, relies
308 on @code{sed}, and the vendor's @code{sed} utility on these systems is too
309 limited.
310
311
312 @section Building the library
313
314 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
315
316 @example
317 $ ./configure
318 $ make
319 $ make check
320 @end example
321
322 If on your system, @samp{make} is not GNU @code{make}, you have to use
323 @samp{gmake} instead of @samp{make} above.
324
325 The @code{configure} command checks out some features of your system and
326 C++ compiler and builds the @code{Makefile}s. The @code{make} command
327 builds the library. This step may take about an hour on an average workstation.
328 The @code{make check} runs some test to check that no important subroutine
329 has been miscompiled.
330
331 The @code{configure} command accepts options. To get a summary of them, try
332
333 @example
334 $ ./configure --help
335 @end example
336
337 Some of the options are explained in detail in the @samp{INSTALL.generic} file.
338
339 You can specify the C compiler, the C++ compiler and their options through
340 the following environment variables when running @code{configure}:
341
342 @table @code
343 @item CC
344 Specifies the C compiler.
345
346 @item CFLAGS
347 Flags to be given to the C compiler when compiling programs (not when linking).
348
349 @item CXX
350 Specifies the C++ compiler.
351
352 @item CXXFLAGS
353 Flags to be given to the C++ compiler when compiling programs (not when linking).
354 @end table
355
356 Examples:
357
358 @example
359 $ CC="gcc" CFLAGS="-O" CXX="g++" CXXFLAGS="-O" ./configure
360 $ CC="gcc -V egcs-2.91.60" CFLAGS="-O -g" \
361   CXX="g++ -V egcs-2.91.60" CXXFLAGS="-O -g" ./configure
362 $ CC="gcc -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
363   CXX="g++ -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" ./configure
364 $ CC="gcc -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
365   CXX="g++ -V 3.0.4" CFLAGS="-O2 -finline-limit=1000 -fno-exceptions" \
366   ./configure
367 @end example
368 @ignore
369 @comment cl_modules.h requires g++
370 You should not mix GNU and non-GNU compilers. So, if @code{CXX} is a non-GNU
371 compiler, @code{CC} should be set to a non-GNU compiler as well. Examples:
372
373 @example
374 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O" ./configure
375 $ CC="gcc -V 2.7.0" CFLAGS="-g" CXX="g++ -V 2.7.0" CXXFLAGS="-g" ./configure
376 @end example
377
378 On SGI Irix 5, if you wish not to use @code{g++}:
379
380 @example
381 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O -Olimit 16000" ./configure
382 @end example
383
384 On SGI Irix 6, if you wish not to use @code{g++}:
385
386 @example
387 $ CC="cc -32" CFLAGS="-O" CXX="CC -32" CXXFLAGS="-O -Olimit 34000" \
388   ./configure --without-gmp
389 $ CC="cc -n32" CFLAGS="-O" CXX="CC -n32" CXXFLAGS="-O \
390   -OPT:const_copy_limit=32400 -OPT:global_limit=32400 -OPT:fprop_limit=4000" \
391   ./configure --without-gmp
392 @end example
393 @end ignore
394
395 Note that for these environment variables to take effect, you have to set
396 them (assuming a Bourne-compatible shell) on the same line as the
397 @code{configure} command. If you made the settings in earlier shell
398 commands, you have to @code{export} the environment variables before
399 calling @code{configure}. In a @code{csh} shell, you have to use the
400 @samp{setenv} command for setting each of the environment variables.
401
402 Currently CLN works only with the GNU @code{g++} compiler, and only in
403 optimizing mode. So you should specify at least @code{-O} in the CXXFLAGS,
404 or no CXXFLAGS at all. (If CXXFLAGS is not set, CLN will use @code{-O}.)
405
406 If you use @code{g++} 3.0.x or 3.1, I recommend adding
407 @samp{-finline-limit=1000} to the CXXFLAGS. This is essential for good code.
408
409 If you use @code{g++} gcc-2.95.x or gcc-3.x , I recommend adding
410 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS. This will likely generate better code.
411
412 If you use @code{g++} from gcc-3.0.4 or older on Sparc, add either
413 @samp{-O}, @samp{-O1} or @samp{-O2 -fno-schedule-insns} to the
414 CXXFLAGS. With full @samp{-O2}, @code{g++} miscompiles the division
415 routines. If you use @code{g++} older than 2.95.3 on Sparc you should
416 also specify @samp{--disable-shared} because of bad code produced in the
417 shared library. Also, do not use gcc-3.0 on Sparc for compiling CLN, it
418 won't work at all.
419
420 If you use @code{g++} on OSF/1 or Tru64 using gcc-2.95.x, you should
421 specify @samp{--disable-shared} because of linker problems with
422 duplicate symbols in shared libraries.  If you use @code{g++} from
423 gcc-3.0.n, with n larger than 1, you should @emph{not} add
424 @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS, since that will generate wrong
425 code (gcc-3.1 is okay again, as is gcc-3.0).
426
427 Also, please do not compile CLN with @code{g++} using the @code{-O3}
428 optimization level.  This leads to inferior code quality.
429
430 If you use @code{g++} from gcc-3.1, it will need 235 MB of virtual memory.
431 You might need some swap space if your machine doesn't have 512 MB of RAM.
432
433 By default, both a shared and a static library are built.  You can build
434 CLN as a static (or shared) library only, by calling @code{configure} with
435 the option @samp{--disable-shared} (or @samp{--disable-static}).  While
436 shared libraries are usually more convenient to use, they may not work
437 on all architectures.  Try disabling them if you run into linker
438 problems.  Also, they are generally somewhat slower than static
439 libraries so runtime-critical applications should be linked statically.
440
441 If you use @code{g++} from gcc-3.1 with option @samp{-g}, you will need
442 some disk space: 335 MB for building as both a shared and a static library,
443 or 130 MB when building as a shared library only.
444
445
446 @subsection Using the GNU MP Library
447 @cindex GMP
448
449 Starting with version 1.1, CLN may be configured to make use of a
450 preinstalled @code{gmp} library.  Please make sure that you have at
451 least @code{gmp} version 3.0 installed since earlier versions are
452 unsupported and likely not to work.  Enabling this feature by calling
453 @code{configure} with the option @samp{--with-gmp} is known to be quite
454 a boost for CLN's performance.
455
456 If you have installed the @code{gmp} library and its header file in
457 some place where your compiler cannot find it by default, you must help
458 @code{configure} by setting @code{CPPFLAGS} and @code{LDFLAGS}.  Here is
459 an example:
460
461 @example
462 $ CC="gcc" CFLAGS="-O2" CXX="g++" CXXFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
463   CPPFLAGS="-I/opt/gmp/include" LDFLAGS="-L/opt/gmp/lib" ./configure --with-gmp
464 @end example
465
466
467 @section Installing the library
468 @cindex installation
469
470 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
471
472 @example
473 $ make install
474 @end example
475
476 The @samp{make install} command installs the library and the include files
477 into public places (@file{/usr/local/lib/} and @file{/usr/local/include/},
478 if you haven't specified a @code{--prefix} option to @code{configure}).
479 This step may require superuser privileges.
480
481 If you have already built the library and wish to install it, but didn't
482 specify @code{--prefix=@dots{}} at configure time, just re-run
483 @code{configure}, giving it the same options as the first time, plus
484 the @code{--prefix=@dots{}} option.
485
486
487 @section Cleaning up
488
489 You can remove system-dependent files generated by @code{make} through
490
491 @example
492 $ make clean
493 @end example
494
495 You can remove all files generated by @code{make}, thus reverting to a
496 virgin distribution of CLN, through
497
498 @example
499 $ make distclean
500 @end example
501
502
503 @chapter Ordinary number types
504
505 CLN implements the following class hierarchy:
506
507 @example
508                         Number
509                       cl_number
510                     <cln/number.h>
511                           |
512                           |
513                  Real or complex number
514                         cl_N
515                     <cln/complex.h>
516                           |
517                           |
518                      Real number
519                         cl_R
520                      <cln/real.h>
521                           |
522       +-------------------+-------------------+
523       |                                       |
524 Rational number                     Floating-point number
525     cl_RA                                   cl_F
526 <cln/rational.h>                         <cln/float.h>
527       |                                       |
528       |                +--------------+--------------+--------------+
529    Integer             |              |              |              |
530     cl_I          Short-Float    Single-Float   Double-Float    Long-Float
531 <cln/integer.h>      cl_SF          cl_FF          cl_DF          cl_LF
532                  <cln/sfloat.h> <cln/ffloat.h> <cln/dfloat.h> <cln/lfloat.h>
533 @end example
534
535 @cindex @code{cl_number}
536 @cindex abstract class
537 The base class @code{cl_number} is an abstract base class.
538 It is not useful to declare a variable of this type except if you want
539 to completely disable compile-time type checking and use run-time type
540 checking instead.
541
542 @cindex @code{cl_N}
543 @cindex real number
544 @cindex complex number
545 The class @code{cl_N} comprises real and complex numbers. There is
546 no special class for complex numbers since complex numbers with imaginary
547 part @code{0} are automatically converted to real numbers.
548
549 @cindex @code{cl_R}
550 The class @code{cl_R} comprises real numbers of different kinds. It is an
551 abstract class.
552
553 @cindex @code{cl_RA}
554 @cindex rational number
555 @cindex integer
556 The class @code{cl_RA} comprises exact real numbers: rational numbers, including
557 integers. There is no special class for non-integral rational numbers
558 since rational numbers with denominator @code{1} are automatically converted
559 to integers.
560
561 @cindex @code{cl_F}
562 The class @code{cl_F} implements floating-point approximations to real numbers.
563 It is an abstract class.
564
565
566 @section Exact numbers
567 @cindex exact number
568
569 Some numbers are represented as exact numbers: there is no loss of information
570 when such a number is converted from its mathematical value to its internal
571 representation. On exact numbers, the elementary operations (@code{+},
572 @code{-}, @code{*}, @code{/}, comparisons, @dots{}) compute the completely
573 correct result.
574
575 In CLN, the exact numbers are:
576
577 @itemize @bullet
578 @item
579 rational numbers (including integers),
580 @item
581 complex numbers whose real and imaginary parts are both rational numbers.
582 @end itemize
583
584 Rational numbers are always normalized to the form
585 @code{@var{numerator}/@var{denominator}} where the numerator and denominator
586 are coprime integers and the denominator is positive. If the resulting
587 denominator is @code{1}, the rational number is converted to an integer.
588
589 @cindex immediate numbers
590 Small integers (typically in the range @code{-2^29}@dots{}@code{2^29-1},
591 for 32-bit machines) are especially efficient, because they consume no heap
592 allocation. Otherwise the distinction between these immediate integers
593 (called ``fixnums'') and heap allocated integers (called ``bignums'')
594 is completely transparent.
595
596
597 @section Floating-point numbers
598 @cindex floating-point number
599
600 Not all real numbers can be represented exactly. (There is an easy mathematical
601 proof for this: Only a countable set of numbers can be stored exactly in
602 a computer, even if one assumes that it has unlimited storage. But there
603 are uncountably many real numbers.) So some approximation is needed.
604 CLN implements ordinary floating-point numbers, with mantissa and exponent.
605
606 @cindex rounding error
607 The elementary operations (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @dots{})
608 only return approximate results. For example, the value of the expression
609 @code{(cl_F) 0.3 + (cl_F) 0.4} prints as @samp{0.70000005}, not as
610 @samp{0.7}. Rounding errors like this one are inevitable when computing
611 with floating-point numbers.
612
613 Nevertheless, CLN rounds the floating-point results of the operations @code{+},
614 @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt} according to the ``round-to-even''
615 rule: It first computes the exact mathematical result and then returns the
616 floating-point number which is nearest to this. If two floating-point numbers
617 are equally distant from the ideal result, the one with a @code{0} in its least
618 significant mantissa bit is chosen.
619
620 Similarly, testing floating point numbers for equality @samp{x == y}
621 is gambling with random errors. Better check for @samp{abs(x - y) < epsilon}
622 for some well-chosen @code{epsilon}.
623
624 Floating point numbers come in four flavors:
625
626 @itemize @bullet
627 @item
628 @cindex @code{cl_SF}
629 Short floats, type @code{cl_SF}.
630 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
631 and 17 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
632 They don't consume heap allocation.
633
634 @item
635 @cindex @code{cl_FF}
636 Single floats, type @code{cl_FF}.
637 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
638 and 24 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
639 In CLN, they are represented as IEEE single-precision floating point numbers.
640 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{float}.
641
642 @item
643 @cindex @code{cl_DF}
644 Double floats, type @code{cl_DF}.
645 They have 1 sign bit, 11 exponent bits (including the exponent's sign),
646 and 53 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
647 In CLN, they are represented as IEEE double-precision floating point numbers.
648 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{double}.
649
650 @item
651 @cindex @code{cl_LF}
652 Long floats, type @code{cl_LF}.
653 They have 1 sign bit, 32 exponent bits (including the exponent's sign),
654 and n mantissa bits (including the ``hidden'' bit), where n >= 64.
655 The precision of a long float is unlimited, but once created, a long float
656 has a fixed precision. (No ``lazy recomputation''.)
657 @end itemize
658
659 Of course, computations with long floats are more expensive than those
660 with smaller floating-point formats.
661
662 CLN does not implement features like NaNs, denormalized numbers and
663 gradual underflow. If the exponent range of some floating-point type
664 is too limited for your application, choose another floating-point type
665 with larger exponent range.
666
667 @cindex @code{cl_F}
668 As a user of CLN, you can forget about the differences between the
669 four floating-point types and just declare all your floating-point
670 variables as being of type @code{cl_F}. This has the advantage that
671 when you change the precision of some computation (say, from @code{cl_DF}
672 to @code{cl_LF}), you don't have to change the code, only the precision
673 of the initial values. Also, many transcendental functions have been
674 declared as returning a @code{cl_F} when the argument is a @code{cl_F},
675 but such declarations are missing for the types @code{cl_SF}, @code{cl_FF},
676 @code{cl_DF}, @code{cl_LF}. (Such declarations would be wrong if
677 the floating point contagion rule happened to change in the future.)
678
679
680 @section Complex numbers
681 @cindex complex number
682
683 Complex numbers, as implemented by the class @code{cl_N}, have a real
684 part and an imaginary part, both real numbers. A complex number whose
685 imaginary part is the exact number @code{0} is automatically converted
686 to a real number.
687
688 Complex numbers can arise from real numbers alone, for example
689 through application of @code{sqrt} or transcendental functions.
690
691
692 @section Conversions
693 @cindex conversion
694
695 Conversions from any class to any its superclasses (``base classes'' in
696 C++ terminology) is done automatically.
697
698 Conversions from the C built-in types @samp{long} and @samp{unsigned long}
699 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
700 @code{cl_N} and @code{cl_number}.
701
702 Conversions from the C built-in types @samp{int} and @samp{unsigned int}
703 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
704 @code{cl_N} and @code{cl_number}. However, these conversions emphasize
705 efficiency. Their range is therefore limited:
706
707 @itemize @minus
708 @item
709 The conversion from @samp{int} works only if the argument is < 2^29 and > -2^29.
710 @item
711 The conversion from @samp{unsigned int} works only if the argument is < 2^29.
712 @end itemize
713
714 In a declaration like @samp{cl_I x = 10;} the C++ compiler is able to
715 do the conversion of @code{10} from @samp{int} to @samp{cl_I} at compile time
716 already. On the other hand, code like @samp{cl_I x = 1000000000;} is
717 in error.
718 So, if you want to be sure that an @samp{int} whose magnitude is not guaranteed
719 to be < 2^29 is correctly converted to a @samp{cl_I}, first convert it to a
720 @samp{long}. Similarly, if a large @samp{unsigned int} is to be converted to a
721 @samp{cl_I}, first convert it to an @samp{unsigned long}.
722
723 Conversions from the C built-in type @samp{float} are provided for the classes
724 @code{cl_FF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
725
726 Conversions from the C built-in type @samp{double} are provided for the classes
727 @code{cl_DF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
728
729 Conversions from @samp{const char *} are provided for the classes
730 @code{cl_I}, @code{cl_RA},
731 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F},
732 @code{cl_R}, @code{cl_N}.
733 The easiest way to specify a value which is outside of the range of the
734 C++ built-in types is therefore to specify it as a string, like this:
735 @cindex Rubik's cube
736 @example
737    cl_I order_of_rubiks_cube_group = "43252003274489856000";
738 @end example
739 Note that this conversion is done at runtime, not at compile-time.
740
741 Conversions from @code{cl_I} to the C built-in types @samp{int},
742 @samp{unsigned int}, @samp{long}, @samp{unsigned long} are provided through
743 the functions
744
745 @table @code
746 @item int cl_I_to_int (const cl_I& x)
747 @cindex @code{cl_I_to_int ()}
748 @itemx unsigned int cl_I_to_uint (const cl_I& x)
749 @cindex @code{cl_I_to_uint ()}
750 @itemx long cl_I_to_long (const cl_I& x)
751 @cindex @code{cl_I_to_long ()}
752 @itemx unsigned long cl_I_to_ulong (const cl_I& x)
753 @cindex @code{cl_I_to_ulong ()}
754 Returns @code{x} as element of the C type @var{ctype}. If @code{x} is not
755 representable in the range of @var{ctype}, a runtime error occurs.
756 @end table
757
758 Conversions from the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA},
759 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F} and
760 @code{cl_R}
761 to the C built-in types @samp{float} and @samp{double} are provided through
762 the functions
763
764 @table @code
765 @item float float_approx (const @var{type}& x)
766 @cindex @code{float_approx ()}
767 @itemx double double_approx (const @var{type}& x)
768 @cindex @code{double_approx ()}
769 Returns an approximation of @code{x} of C type @var{ctype}.
770 If @code{abs(x)} is too close to 0 (underflow), 0 is returned.
771 If @code{abs(x)} is too large (overflow), an IEEE infinity is returned.
772 @end table
773
774 Conversions from any class to any of its subclasses (``derived classes'' in
775 C++ terminology) are not provided. Instead, you can assert and check
776 that a value belongs to a certain subclass, and return it as element of that
777 class, using the @samp{As} and @samp{The} macros.
778 @cindex cast
779 @cindex @code{As()()}
780 @code{As(@var{type})(@var{value})} checks that @var{value} belongs to
781 @var{type} and returns it as such.
782 @cindex @code{The()()}
783 @code{The(@var{type})(@var{value})} assumes that @var{value} belongs to
784 @var{type} and returns it as such. It is your responsibility to ensure
785 that this assumption is valid.  Since macros and namespaces don't go
786 together well, there is an equivalent to @samp{The}: the template
787 @samp{the}.
788
789 Example:
790
791 @example
792 @group
793    cl_I x = @dots{};
794    if (!(x >= 0)) abort();
795    cl_I ten_x_a = The(cl_I)(expt(10,x)); // If x >= 0, 10^x is an integer.
796                 // In general, it would be a rational number.
797    cl_I ten_x_b = the<cl_I>(expt(10,x)); // The same as above.
798 @end group
799 @end example
800
801
802 @chapter Functions on numbers
803
804 Each of the number classes declares its mathematical operations in the
805 corresponding include file. For example, if your code operates with
806 objects of type @code{cl_I}, it should @code{#include <cln/integer.h>}.
807
808
809 @section Constructing numbers
810
811 Here is how to create number objects ``from nothing''.
812
813
814 @subsection Constructing integers
815
816 @code{cl_I} objects are most easily constructed from C integers and from
817 strings. See @ref{Conversions}.
818
819
820 @subsection Constructing rational numbers
821
822 @code{cl_RA} objects can be constructed from strings. The syntax
823 for rational numbers is described in @ref{Internal and printed representation}.
824 Another standard way to produce a rational number is through application
825 of @samp{operator /} or @samp{recip} on integers.
826
827
828 @subsection Constructing floating-point numbers
829
830 @code{cl_F} objects with low precision are most easily constructed from
831 C @samp{float} and @samp{double}. See @ref{Conversions}.
832
833 To construct a @code{cl_F} with high precision, you can use the conversion
834 from @samp{const char *}, but you have to specify the desired precision
835 within the string. (See @ref{Internal and printed representation}.)
836 Example:
837 @example
838    cl_F e = "0.271828182845904523536028747135266249775724709369996e+1_40";
839 @end example
840 will set @samp{e} to the given value, with a precision of 40 decimal digits.
841
842 The programmatic way to construct a @code{cl_F} with high precision is
843 through the @code{cl_float} conversion function, see
844 @ref{Conversion to floating-point numbers}. For example, to compute
845 @code{e} to 40 decimal places, first construct 1.0 to 40 decimal places
846 and then apply the exponential function:
847 @example
848    float_format_t precision = float_format(40);
849    cl_F e = exp(cl_float(1,precision));
850 @end example
851
852
853 @subsection Constructing complex numbers
854
855 Non-real @code{cl_N} objects are normally constructed through the function
856 @example
857    cl_N complex (const cl_R& realpart, const cl_R& imagpart)
858 @end example
859 See @ref{Elementary complex functions}.
860
861
862 @section Elementary functions
863
864 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
865 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
866 defines the following operations:
867
868 @table @code
869 @item @var{type} operator + (const @var{type}&, const @var{type}&)
870 @cindex @code{operator + ()}
871 Addition.
872
873 @item @var{type} operator - (const @var{type}&, const @var{type}&)
874 @cindex @code{operator - ()}
875 Subtraction.
876
877 @item @var{type} operator - (const @var{type}&)
878 Returns the negative of the argument.
879
880 @item @var{type} plus1 (const @var{type}& x)
881 @cindex @code{plus1 ()}
882 Returns @code{x + 1}.
883
884 @item @var{type} minus1 (const @var{type}& x)
885 @cindex @code{minus1 ()}
886 Returns @code{x - 1}.
887
888 @item @var{type} operator * (const @var{type}&, const @var{type}&)
889 @cindex @code{operator * ()}
890 Multiplication.
891
892 @item @var{type} square (const @var{type}& x)
893 @cindex @code{square ()}
894 Returns @code{x * x}.
895 @end table
896
897 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
898 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
899 defines the following operations:
900
901 @table @code
902 @item @var{type} operator / (const @var{type}&, const @var{type}&)
903 @cindex @code{operator / ()}
904 Division.
905
906 @item @var{type} recip (const @var{type}&)
907 @cindex @code{recip ()}
908 Returns the reciprocal of the argument.
909 @end table
910
911 The class @code{cl_I} doesn't define a @samp{/} operation because
912 in the C/C++ language this operator, applied to integral types,
913 denotes the @samp{floor} or @samp{truncate} operation (which one of these,
914 is implementation dependent). (@xref{Rounding functions}.)
915 Instead, @code{cl_I} defines an ``exact quotient'' function:
916
917 @table @code
918 @item cl_I exquo (const cl_I& x, const cl_I& y)
919 @cindex @code{exquo ()}
920 Checks that @code{y} divides @code{x}, and returns the quotient @code{x}/@code{y}.
921 @end table
922
923 The following exponentiation functions are defined:
924
925 @table @code
926 @item cl_I expt_pos (const cl_I& x, const cl_I& y)
927 @cindex @code{expt_pos ()}
928 @itemx cl_RA expt_pos (const cl_RA& x, const cl_I& y)
929 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
930
931 @item cl_RA expt (const cl_RA& x, const cl_I& y)
932 @cindex @code{expt ()}
933 @itemx cl_R expt (const cl_R& x, const cl_I& y)
934 @itemx cl_N expt (const cl_N& x, const cl_I& y)
935 Returns @code{x^y}.
936 @end table
937
938 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
939 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
940 defines the following operation:
941
942 @table @code
943 @item @var{type} abs (const @var{type}& x)
944 @cindex @code{abs ()}
945 Returns the absolute value of @code{x}.
946 This is @code{x} if @code{x >= 0}, and @code{-x} if @code{x <= 0}.
947 @end table
948
949 The class @code{cl_N} implements this as follows:
950
951 @table @code
952 @item cl_R abs (const cl_N x)
953 Returns the absolute value of @code{x}.
954 @end table
955
956 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
957 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
958 defines the following operation:
959
960 @table @code
961 @item @var{type} signum (const @var{type}& x)
962 @cindex @code{signum ()}
963 Returns the sign of @code{x}, in the same number format as @code{x}.
964 This is defined as @code{x / abs(x)} if @code{x} is non-zero, and
965 @code{x} if @code{x} is zero. If @code{x} is real, the value is either
966 0 or 1 or -1.
967 @end table
968
969
970 @section Elementary rational functions
971
972 Each of the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} defines the following operations:
973
974 @table @code
975 @item cl_I numerator (const @var{type}& x)
976 @cindex @code{numerator ()}
977 Returns the numerator of @code{x}.
978
979 @item cl_I denominator (const @var{type}& x)
980 @cindex @code{denominator ()}
981 Returns the denominator of @code{x}.
982 @end table
983
984 The numerator and denominator of a rational number are normalized in such
985 a way that they have no factor in common and the denominator is positive.
986
987
988 @section Elementary complex functions
989
990 The class @code{cl_N} defines the following operation:
991
992 @table @code
993 @item cl_N complex (const cl_R& a, const cl_R& b)
994 @cindex @code{complex ()}
995 Returns the complex number @code{a+bi}, that is, the complex number with
996 real part @code{a} and imaginary part @code{b}.
997 @end table
998
999 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R} defines the following operations:
1000
1001 @table @code
1002 @item cl_R realpart (const @var{type}& x)
1003 @cindex @code{realpart ()}
1004 Returns the real part of @code{x}.
1005
1006 @item cl_R imagpart (const @var{type}& x)
1007 @cindex @code{imagpart ()}
1008 Returns the imaginary part of @code{x}.
1009
1010 @item @var{type} conjugate (const @var{type}& x)
1011 @cindex @code{conjugate ()}
1012 Returns the complex conjugate of @code{x}.
1013 @end table
1014
1015 We have the relations
1016
1017 @itemize @asis
1018 @item
1019 @code{x = complex(realpart(x), imagpart(x))}
1020 @item
1021 @code{conjugate(x) = complex(realpart(x), -imagpart(x))}
1022 @end itemize
1023
1024
1025 @section Comparisons
1026 @cindex comparison
1027
1028 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1029 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1030 defines the following operations:
1031
1032 @table @code
1033 @item bool operator == (const @var{type}&, const @var{type}&)
1034 @cindex @code{operator == ()}
1035 @itemx bool operator != (const @var{type}&, const @var{type}&)
1036 @cindex @code{operator != ()}
1037 Comparison, as in C and C++.
1038
1039 @item uint32 equal_hashcode (const @var{type}&)
1040 @cindex @code{equal_hashcode ()}
1041 Returns a 32-bit hash code that is the same for any two numbers which are
1042 the same according to @code{==}. This hash code depends on the number's value,
1043 not its type or precision.
1044
1045 @item cl_boolean zerop (const @var{type}& x)
1046 @cindex @code{zerop ()}
1047 Compare against zero: @code{x == 0}
1048 @end table
1049
1050 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1051 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1052 defines the following operations:
1053
1054 @table @code
1055 @item cl_signean compare (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1056 @cindex @code{compare ()}
1057 Compares @code{x} and @code{y}. Returns +1 if @code{x}>@code{y},
1058 -1 if @code{x}<@code{y}, 0 if @code{x}=@code{y}.
1059
1060 @item bool operator <= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1061 @cindex @code{operator <= ()}
1062 @itemx bool operator < (const @var{type}&, const @var{type}&)
1063 @cindex @code{operator < ()}
1064 @itemx bool operator >= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1065 @cindex @code{operator >= ()}
1066 @itemx bool operator > (const @var{type}&, const @var{type}&)
1067 @cindex @code{operator > ()}
1068 Comparison, as in C and C++.
1069
1070 @item cl_boolean minusp (const @var{type}& x)
1071 @cindex @code{minusp ()}
1072 Compare against zero: @code{x < 0}
1073
1074 @item cl_boolean plusp (const @var{type}& x)
1075 @cindex @code{plusp ()}
1076 Compare against zero: @code{x > 0}
1077
1078 @item @var{type} max (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1079 @cindex @code{max ()}
1080 Return the maximum of @code{x} and @code{y}.
1081
1082 @item @var{type} min (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1083 @cindex @code{min ()}
1084 Return the minimum of @code{x} and @code{y}.
1085 @end table
1086
1087 When a floating point number and a rational number are compared, the float
1088 is first converted to a rational number using the function @code{rational}.
1089 Since a floating point number actually represents an interval of real numbers,
1090 the result might be surprising.
1091 For example, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3" == (cl_R)"1/3"} returns false because
1092 there is no floating point number whose value is exactly @code{1/3}.
1093
1094
1095 @section Rounding functions
1096 @cindex rounding
1097
1098 When a real number is to be converted to an integer, there is no ``best''
1099 rounding. The desired rounding function depends on the application.
1100 The Common Lisp and ISO Lisp standards offer four rounding functions:
1101
1102 @table @code
1103 @item floor(x)
1104 This is the largest integer <=@code{x}.
1105
1106 @item ceiling(x)
1107 This is the smallest integer >=@code{x}.
1108
1109 @item truncate(x)
1110 Among the integers between 0 and @code{x} (inclusive) the one nearest to @code{x}.
1111
1112 @item round(x)
1113 The integer nearest to @code{x}. If @code{x} is exactly halfway between two
1114 integers, choose the even one.
1115 @end table
1116
1117 These functions have different advantages:
1118
1119 @code{floor} and @code{ceiling} are translation invariant:
1120 @code{floor(x+n) = floor(x) + n} and @code{ceiling(x+n) = ceiling(x) + n}
1121 for every @code{x} and every integer @code{n}.
1122
1123 On the other hand, @code{truncate} and @code{round} are symmetric:
1124 @code{truncate(-x) = -truncate(x)} and @code{round(-x) = -round(x)},
1125 and furthermore @code{round} is unbiased: on the ``average'', it rounds
1126 down exactly as often as it rounds up.
1127
1128 The functions are related like this:
1129
1130 @itemize @asis
1131 @item
1132 @code{ceiling(m/n) = floor((m+n-1)/n) = floor((m-1)/n)+1}
1133 for rational numbers @code{m/n} (@code{m}, @code{n} integers, @code{n}>0), and
1134 @item
1135 @code{truncate(x) = sign(x) * floor(abs(x))}
1136 @end itemize
1137
1138 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1139 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1140 defines the following operations:
1141
1142 @table @code
1143 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x)
1144 @cindex @code{floor1 ()}
1145 Returns @code{floor(x)}.
1146 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x)
1147 @cindex @code{ceiling1 ()}
1148 Returns @code{ceiling(x)}.
1149 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x)
1150 @cindex @code{truncate1 ()}
1151 Returns @code{truncate(x)}.
1152 @item cl_I round1 (const @var{type}& x)
1153 @cindex @code{round1 ()}
1154 Returns @code{round(x)}.
1155 @end table
1156
1157 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1158 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1159 defines the following operations:
1160
1161 @table @code
1162 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1163 Returns @code{floor(x/y)}.
1164 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1165 Returns @code{ceiling(x/y)}.
1166 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1167 Returns @code{truncate(x/y)}.
1168 @item cl_I round1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1169 Returns @code{round(x/y)}.
1170 @end table
1171
1172 These functions are called @samp{floor1}, @dots{} here instead of
1173 @samp{floor}, @dots{}, because on some systems, system dependent include
1174 files define @samp{floor} and @samp{ceiling} as macros.
1175
1176 In many cases, one needs both the quotient and the remainder of a division.
1177 It is more efficient to compute both at the same time than to perform
1178 two divisions, one for quotient and the next one for the remainder.
1179 The following functions therefore return a structure containing both
1180 the quotient and the remainder. The suffix @samp{2} indicates the number
1181 of ``return values''. The remainder is defined as follows:
1182
1183 @itemize @bullet
1184 @item
1185 for the computation of @code{quotient = floor(x)},
1186 @code{remainder = x - quotient},
1187 @item
1188 for the computation of @code{quotient = floor(x,y)},
1189 @code{remainder = x - quotient*y},
1190 @end itemize
1191
1192 and similarly for the other three operations.
1193
1194 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1195 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1196 defines the following operations:
1197
1198 @table @code
1199 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1200 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x)
1201 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x)
1202 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x)
1203 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x)
1204 @end table
1205
1206 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1207 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1208 defines the following operations:
1209
1210 @table @code
1211 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1212 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1213 @cindex @code{floor2 ()}
1214 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1215 @cindex @code{ceiling2 ()}
1216 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1217 @cindex @code{truncate2 ()}
1218 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1219 @cindex @code{round2 ()}
1220 @end table
1221
1222 Sometimes, one wants the quotient as a floating-point number (of the
1223 same format as the argument, if the argument is a float) instead of as
1224 an integer. The prefix @samp{f} indicates this.
1225
1226 Each of the classes
1227 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1228 defines the following operations:
1229
1230 @table @code
1231 @item @var{type} ffloor (const @var{type}& x)
1232 @cindex @code{ffloor ()}
1233 @itemx @var{type} fceiling (const @var{type}& x)
1234 @cindex @code{fceiling ()}
1235 @itemx @var{type} ftruncate (const @var{type}& x)
1236 @cindex @code{ftruncate ()}
1237 @itemx @var{type} fround (const @var{type}& x)
1238 @cindex @code{fround ()}
1239 @end table
1240
1241 and similarly for class @code{cl_R}, but with return type @code{cl_F}.
1242
1243 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1244
1245 @table @code
1246 @item cl_F ffloor (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1247 @itemx cl_F fceiling (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1248 @itemx cl_F ftruncate (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1249 @itemx cl_F fround (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1250 @end table
1251
1252 These functions also exist in versions which return both the quotient
1253 and the remainder. The suffix @samp{2} indicates this.
1254
1255 Each of the classes
1256 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1257 defines the following operations:
1258 @cindex @code{cl_F_fdiv_t}
1259 @cindex @code{cl_SF_fdiv_t}
1260 @cindex @code{cl_FF_fdiv_t}
1261 @cindex @code{cl_DF_fdiv_t}
1262 @cindex @code{cl_LF_fdiv_t}
1263
1264 @table @code
1265 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ @var{type} quotient; @var{type} remainder; @};
1266 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x)
1267 @cindex @code{ffloor2 ()}
1268 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x)
1269 @cindex @code{fceiling2 ()}
1270 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x)
1271 @cindex @code{ftruncate2 ()}
1272 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x)
1273 @cindex @code{fround2 ()}
1274 @end table
1275 and similarly for class @code{cl_R}, but with quotient type @code{cl_F}.
1276 @cindex @code{cl_R_fdiv_t}
1277
1278 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1279
1280 @table @code
1281 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ cl_F quotient; cl_R remainder; @};
1282 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1283 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1284 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1285 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1286 @end table
1287
1288 Other applications need only the remainder of a division.
1289 The remainder of @samp{floor} and @samp{ffloor} is called @samp{mod}
1290 (abbreviation of ``modulo''). The remainder @samp{truncate} and
1291 @samp{ftruncate} is called @samp{rem} (abbreviation of ``remainder'').
1292
1293 @itemize @bullet
1294 @item
1295 @code{mod(x,y) = floor2(x,y).remainder = x - floor(x/y)*y}
1296 @item
1297 @code{rem(x,y) = truncate2(x,y).remainder = x - truncate(x/y)*y}
1298 @end itemize
1299
1300 If @code{x} and @code{y} are both >= 0, @code{mod(x,y) = rem(x,y) >= 0}.
1301 In general, @code{mod(x,y)} has the sign of @code{y} or is zero,
1302 and @code{rem(x,y)} has the sign of @code{x} or is zero.
1303
1304 The classes @code{cl_R}, @code{cl_I} define the following operations:
1305
1306 @table @code
1307 @item @var{type} mod (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1308 @cindex @code{mod ()}
1309 @itemx @var{type} rem (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1310 @cindex @code{rem ()}
1311 @end table
1312
1313
1314 @section Roots
1315
1316 Each of the classes @code{cl_R},
1317 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1318 defines the following operation:
1319
1320 @table @code
1321 @item @var{type} sqrt (const @var{type}& x)
1322 @cindex @code{sqrt ()}
1323 @code{x} must be >= 0. This function returns the square root of @code{x},
1324 normalized to be >= 0. If @code{x} is the square of a rational number,
1325 @code{sqrt(x)} will be a rational number, else it will return a
1326 floating-point approximation.
1327 @end table
1328
1329 The classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} define the following operation:
1330
1331 @table @code
1332 @item cl_boolean sqrtp (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1333 @cindex @code{sqrtp ()}
1334 This tests whether @code{x} is a perfect square. If so, it returns true
1335 and the exact square root in @code{*root}, else it returns false.
1336 @end table
1337
1338 Furthermore, for integers, similarly:
1339
1340 @table @code
1341 @item cl_boolean isqrt (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1342 @cindex @code{isqrt ()}
1343 @code{x} should be >= 0. This function sets @code{*root} to
1344 @code{floor(sqrt(x))} and returns the same value as @code{sqrtp}:
1345 the boolean value @code{(expt(*root,2) == x)}.
1346 @end table
1347
1348 For @code{n}th roots, the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I}
1349 define the following operation:
1350
1351 @table @code
1352 @item cl_boolean rootp (const @var{type}& x, const cl_I& n, @var{type}* root)
1353 @cindex @code{rootp ()}
1354 @code{x} must be >= 0. @code{n} must be > 0.
1355 This tests whether @code{x} is an @code{n}th power of a rational number.
1356 If so, it returns true and the exact root in @code{*root}, else it returns
1357 false.
1358 @end table
1359
1360 The only square root function which accepts negative numbers is the one
1361 for class @code{cl_N}:
1362
1363 @table @code
1364 @item cl_N sqrt (const cl_N& z)
1365 @cindex @code{sqrt ()}
1366 Returns the square root of @code{z}, as defined by the formula
1367 @code{sqrt(z) = exp(log(z)/2)}. Conversion to a floating-point type
1368 or to a complex number are done if necessary. The range of the result is the
1369 right half plane @code{realpart(sqrt(z)) >= 0}
1370 including the positive imaginary axis and 0, but excluding
1371 the negative imaginary axis.
1372 The result is an exact number only if @code{z} is an exact number.
1373 @end table
1374
1375
1376 @section Transcendental functions
1377 @cindex transcendental functions
1378
1379 The transcendental functions return an exact result if the argument
1380 is exact and the result is exact as well. Otherwise they must return
1381 inexact numbers even if the argument is exact.
1382 For example, @code{cos(0) = 1} returns the rational number @code{1}.
1383
1384
1385 @subsection Exponential and logarithmic functions
1386
1387 @table @code
1388 @item cl_R exp (const cl_R& x)
1389 @cindex @code{exp ()}
1390 @itemx cl_N exp (const cl_N& x)
1391 Returns the exponential function of @code{x}. This is @code{e^x} where
1392 @code{e} is the base of the natural logarithms. The range of the result
1393 is the entire complex plane excluding 0.
1394
1395 @item cl_R ln (const cl_R& x)
1396 @cindex @code{ln ()}
1397 @code{x} must be > 0. Returns the (natural) logarithm of x.
1398
1399 @item cl_N log (const cl_N& x)
1400 @cindex @code{log ()}
1401 Returns the (natural) logarithm of x. If @code{x} is real and positive,
1402 this is @code{ln(x)}. In general, @code{log(x) = log(abs(x)) + i*phase(x)}.
1403 The range of the result is the strip in the complex plane
1404 @code{-pi < imagpart(log(x)) <= pi}.
1405
1406 @item cl_R phase (const cl_N& x)
1407 @cindex @code{phase ()}
1408 Returns the angle part of @code{x} in its polar representation as a
1409 complex number. That is, @code{phase(x) = atan(realpart(x),imagpart(x))}.
1410 This is also the imaginary part of @code{log(x)}.
1411 The range of the result is the interval @code{-pi < phase(x) <= pi}.
1412 The result will be an exact number only if @code{zerop(x)} or
1413 if @code{x} is real and positive.
1414
1415 @item cl_R log (const cl_R& a, const cl_R& b)
1416 @code{a} and @code{b} must be > 0. Returns the logarithm of @code{a} with
1417 respect to base @code{b}. @code{log(a,b) = ln(a)/ln(b)}.
1418 The result can be exact only if @code{a = 1} or if @code{a} and @code{b}
1419 are both rational.
1420
1421 @item cl_N log (const cl_N& a, const cl_N& b)
1422 Returns the logarithm of @code{a} with respect to base @code{b}.
1423 @code{log(a,b) = log(a)/log(b)}.
1424
1425 @item cl_N expt (const cl_N& x, const cl_N& y)
1426 @cindex @code{expt ()}
1427 Exponentiation: Returns @code{x^y = exp(y*log(x))}.
1428 @end table
1429
1430 The constant e = exp(1) = 2.71828@dots{} is returned by the following functions:
1431
1432 @table @code
1433 @item cl_F exp1 (float_format_t f)
1434 @cindex @code{exp1 ()}
1435 Returns e as a float of format @code{f}.
1436
1437 @item cl_F exp1 (const cl_F& y)
1438 Returns e in the float format of @code{y}.
1439
1440 @item cl_F exp1 (void)
1441 Returns e as a float of format @code{default_float_format}.
1442 @end table
1443
1444
1445 @subsection Trigonometric functions
1446
1447 @table @code
1448 @item cl_R sin (const cl_R& x)
1449 @cindex @code{sin ()}
1450 Returns @code{sin(x)}. The range of the result is the interval
1451 @code{-1 <= sin(x) <= 1}.
1452
1453 @item cl_N sin (const cl_N& z)
1454 Returns @code{sin(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1455
1456 @item cl_R cos (const cl_R& x)
1457 @cindex @code{cos ()}
1458 Returns @code{cos(x)}. The range of the result is the interval
1459 @code{-1 <= cos(x) <= 1}.
1460
1461 @item cl_N cos (const cl_N& x)
1462 Returns @code{cos(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1463
1464 @item struct cos_sin_t @{ cl_R cos; cl_R sin; @};
1465 @cindex @code{cos_sin_t}
1466 @itemx cos_sin_t cos_sin (const cl_R& x)
1467 Returns both @code{sin(x)} and @code{cos(x)}. This is more efficient than
1468 @cindex @code{cos_sin ()}
1469 computing them separately. The relation @code{cos^2 + sin^2 = 1} will
1470 hold only approximately.
1471
1472 @item cl_R tan (const cl_R& x)
1473 @cindex @code{tan ()}
1474 @itemx cl_N tan (const cl_N& x)
1475 Returns @code{tan(x) = sin(x)/cos(x)}.
1476
1477 @item cl_N cis (const cl_R& x)
1478 @cindex @code{cis ()}
1479 @itemx cl_N cis (const cl_N& x)
1480 Returns @code{exp(i*x)}. The name @samp{cis} means ``cos + i sin'', because
1481 @code{e^(i*x) = cos(x) + i*sin(x)}.
1482
1483 @cindex @code{asin}
1484 @cindex @code{asin ()}
1485 @item cl_N asin (const cl_N& z)
1486 Returns @code{arcsin(z)}. This is defined as
1487 @code{arcsin(z) = log(iz+sqrt(1-z^2))/i} and satisfies
1488 @code{arcsin(-z) = -arcsin(z)}.
1489 The range of the result is the strip in the complex domain
1490 @code{-pi/2 <= realpart(arcsin(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1491 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1492 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart > 0}.
1493 @ignore
1494 Proof: This follows from arcsin(z) = arsinh(iz)/i and the corresponding
1495 results for arsinh.
1496 @end ignore
1497
1498 @item cl_N acos (const cl_N& z)
1499 @cindex @code{acos ()}
1500 Returns @code{arccos(z)}. This is defined as
1501 @code{arccos(z) = pi/2 - arcsin(z) = log(z+i*sqrt(1-z^2))/i}
1502 @ignore
1503  Kahan's formula:
1504  @code{arccos(z) = 2*log(sqrt((1+z)/2)+i*sqrt((1-z)/2))/i}
1505 @end ignore
1506 and satisfies @code{arccos(-z) = pi - arccos(z)}.
1507 The range of the result is the strip in the complex domain
1508 @code{0 <= realpart(arcsin(z)) <= pi}, excluding the numbers
1509 with @code{realpart = 0} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1510 with @code{realpart = pi} and @code{imagpart > 0}.
1511 @ignore
1512 Proof: This follows from the results about arcsin.
1513 @end ignore
1514
1515 @cindex @code{atan}
1516 @cindex @code{atan ()}
1517 @item cl_R atan (const cl_R& x, const cl_R& y)
1518 Returns the angle of the polar representation of the complex number
1519 @code{x+iy}. This is @code{atan(y/x)} if @code{x>0}. The range of
1520 the result is the interval @code{-pi < atan(x,y) <= pi}. The result will
1521 be an exact number only if @code{x > 0} and @code{y} is the exact @code{0}.
1522 WARNING: In Common Lisp, this function is called as @code{(atan y x)},
1523 with reversed order of arguments.
1524
1525 @item cl_R atan (const cl_R& x)
1526 Returns @code{arctan(x)}. This is the same as @code{atan(1,x)}. The range
1527 of the result is the interval @code{-pi/2 < atan(x) < pi/2}. The result
1528 will be an exact number only if @code{x} is the exact @code{0}.
1529
1530 @item cl_N atan (const cl_N& z)
1531 Returns @code{arctan(z)}. This is defined as
1532 @code{arctan(z) = (log(1+iz)-log(1-iz)) / 2i} and satisfies
1533 @code{arctan(-z) = -arctan(z)}. The range of the result is
1534 the strip in the complex domain
1535 @code{-pi/2 <= realpart(arctan(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1536 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart >= 0} and the numbers
1537 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart <= 0}.
1538 @ignore
1539 Proof: arctan(z) = artanh(iz)/i, we know the range of the artanh function.
1540 @end ignore
1541
1542 @end table
1543
1544 @cindex pi
1545 @cindex Archimedes' constant
1546 Archimedes' constant pi = 3.14@dots{} is returned by the following functions:
1547
1548 @table @code
1549 @item cl_F pi (float_format_t f)
1550 @cindex @code{pi ()}
1551 Returns pi as a float of format @code{f}.
1552
1553 @item cl_F pi (const cl_F& y)
1554 Returns pi in the float format of @code{y}.
1555
1556 @item cl_F pi (void)
1557 Returns pi as a float of format @code{default_float_format}.
1558 @end table
1559
1560
1561 @subsection Hyperbolic functions
1562
1563 @table @code
1564 @item cl_R sinh (const cl_R& x)
1565 @cindex @code{sinh ()}
1566 Returns @code{sinh(x)}.
1567
1568 @item cl_N sinh (const cl_N& z)
1569 Returns @code{sinh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1570
1571 @item cl_R cosh (const cl_R& x)
1572 @cindex @code{cosh ()}
1573 Returns @code{cosh(x)}. The range of the result is the interval
1574 @code{cosh(x) >= 1}.
1575
1576 @item cl_N cosh (const cl_N& z)
1577 Returns @code{cosh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1578
1579 @item struct cosh_sinh_t @{ cl_R cosh; cl_R sinh; @};
1580 @cindex @code{cosh_sinh_t}
1581 @itemx cosh_sinh_t cosh_sinh (const cl_R& x)
1582 @cindex @code{cosh_sinh ()}
1583 Returns both @code{sinh(x)} and @code{cosh(x)}. This is more efficient than
1584 computing them separately. The relation @code{cosh^2 - sinh^2 = 1} will
1585 hold only approximately.
1586
1587 @item cl_R tanh (const cl_R& x)
1588 @cindex @code{tanh ()}
1589 @itemx cl_N tanh (const cl_N& x)
1590 Returns @code{tanh(x) = sinh(x)/cosh(x)}.
1591
1592 @item cl_N asinh (const cl_N& z)
1593 @cindex @code{asinh ()}
1594 Returns @code{arsinh(z)}. This is defined as
1595 @code{arsinh(z) = log(z+sqrt(1+z^2))} and satisfies
1596 @code{arsinh(-z) = -arsinh(z)}.
1597 @ignore
1598 Proof: Knowing the range of log, we know -pi < imagpart(arsinh(z)) <= pi.
1599 Actually, z+sqrt(1+z^2) can never be real and <0, so
1600 -pi < imagpart(arsinh(z)) < pi.
1601 We have (z+sqrt(1+z^2))*(-z+sqrt(1+(-z)^2)) = (1+z^2)-z^2 = 1, hence the
1602 logs of both factors sum up to 0 mod 2*pi*i, hence to 0.
1603 @end ignore
1604 The range of the result is the strip in the complex domain
1605 @code{-pi/2 <= imagpart(arsinh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1606 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart > 0} and the numbers
1607 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart < 0}.
1608 @ignore
1609 Proof: Write z = x+iy. Because of arsinh(-z) = -arsinh(z), we may assume
1610 that z is in Range(sqrt), that is, x>=0 and, if x=0, then y>=0.
1611 If x > 0, then Re(z+sqrt(1+z^2)) = x + Re(sqrt(1+z^2)) >= x > 0,
1612 so -pi/2 < imagpart(log(z+sqrt(1+z^2))) < pi/2.
1613 If x = 0 and y >= 0, arsinh(z) = log(i*y+sqrt(1-y^2)).
1614   If y <= 1, the realpart is 0 and the imagpart is >= 0 and <= pi/2.
1615   If y >= 1, the imagpart is pi/2 and the realpart is
1616              log(y+sqrt(y^2-1)) >= log(y) >= 0.
1617 @end ignore
1618 @ignore
1619 Moreover, if z is in Range(sqrt),
1620 log(sqrt(1+z^2)+z) = 2 artanh(z/(1+sqrt(1+z^2)))
1621 (for a proof, see file src/cl_C_asinh.cc).
1622 @end ignore
1623
1624 @item cl_N acosh (const cl_N& z)
1625 @cindex @code{acosh ()}
1626 Returns @code{arcosh(z)}. This is defined as
1627 @code{arcosh(z) = 2*log(sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))}.
1628 The range of the result is the half-strip in the complex domain
1629 @code{-pi < imagpart(arcosh(z)) <= pi, realpart(arcosh(z)) >= 0},
1630 excluding the numbers with @code{realpart = 0} and @code{-pi < imagpart < 0}.
1631 @ignore
1632 Proof: sqrt((z+1)/2) and sqrt((z-1)/2)) lie in Range(sqrt), hence does
1633 their sum, hence its log has an imagpart <= pi/2 and > -pi/2.
1634 If z is in Range(sqrt), we have
1635   sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1)
1636   ==> (sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))^2 = (z+1)/2 + sqrt(z^2-1) + (z-1)/2
1637                                       = z + sqrt(z^2-1)
1638   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) mod 2*pi*i
1639   and since the imagpart of both expressions is > -pi, <= pi
1640   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1))
1641   To prove that the realpart of this is >= 0, write z = x+iy with x>=0,
1642   z^2-1 = u+iv with u = x^2-y^2-1, v = 2xy,
1643   sqrt(z^2-1) = p+iq with p = sqrt((sqrt(u^2+v^2)+u)/2) >= 0,
1644                           q = sqrt((sqrt(u^2+v^2)-u)/2) * sign(v),
1645   then |z+sqrt(z^2-1)|^2 = |x+iy + p+iq|^2
1646           = (x+p)^2 + (y+q)^2
1647           = x^2 + 2xp + p^2 + y^2 + 2yq + q^2
1648           >= x^2 + p^2 + y^2 + q^2                 (since x>=0, p>=0, yq>=0)
1649           = x^2 + y^2 + sqrt(u^2+v^2)
1650           >= x^2 + y^2 + |u|
1651           >= x^2 + y^2 - u
1652           = 1 + 2*y^2
1653           >= 1
1654   hence realpart(log(z+sqrt(z^2-1))) = log(|z+sqrt(z^2-1)|) >= 0.
1655   Equality holds only if y = 0 and u <= 0, i.e. 0 <= x < 1.
1656   In this case arcosh(z) = log(x+i*sqrt(1-x^2)) has imagpart >=0.
1657 Otherwise, -z is in Range(sqrt).
1658   If y != 0, sqrt((z+1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z-1)/2),
1659              sqrt((z-1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z+1)/2),
1660              hence arcosh(z) = sign(y)*pi/2*i + arcosh(-z),
1661              and this has realpart > 0.
1662   If y = 0 and -1<=x<=0, we still have sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1),
1663              ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) = log(x+i*sqrt(1-x^2))
1664              has realpart = 0 and imagpart > 0.
1665   If y = 0 and x<=-1, however, sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = - sqrt(z^2-1),
1666              ==> arcosh(z) = log(z-sqrt(z^2-1)) = pi*i + arcosh(-z).
1667              This has realpart >= 0 and imagpart = pi.
1668 @end ignore
1669
1670 @item cl_N atanh (const cl_N& z)
1671 @cindex @code{atanh ()}
1672 Returns @code{artanh(z)}. This is defined as
1673 @code{artanh(z) = (log(1+z)-log(1-z)) / 2} and satisfies
1674 @code{artanh(-z) = -artanh(z)}. The range of the result is
1675 the strip in the complex domain
1676 @code{-pi/2 <= imagpart(artanh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1677 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart <= 0} and the numbers
1678 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart >= 0}.
1679 @ignore
1680 Proof: Write z = x+iy. Examine
1681   imagpart(artanh(z)) = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2.
1682   Case 1: y = 0.
1683           x > 1 ==> imagpart = -pi/2, realpart = 1/2 log((x+1)/(x-1)) > 0,
1684           x < -1 ==> imagpart = pi/2, realpart = 1/2 log((-x-1)/(-x+1)) < 0,
1685           |x| < 1 ==> imagpart = 0
1686   Case 2: y > 0.
1687           imagpart(artanh(z))
1688               = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2
1689               = ((pi/2 - atan((1+x)/y)) - (-pi/2 - atan((1-x)/-y)))/2
1690               = (pi - atan((1+x)/y) - atan((1-x)/y))/2
1691               > (pi -     pi/2      -     pi/2     )/2 = 0
1692           and (1+x)/y > (1-x)/y
1693               ==> atan((1+x)/y) > atan((-1+x)/y) = - atan((1-x)/y)
1694               ==> imagpart < pi/2.
1695           Hence 0 < imagpart < pi/2.
1696   Case 3: y < 0.
1697           By artanh(z) = -artanh(-z) and case 2, -pi/2 < imagpart < 0.
1698 @end ignore
1699 @end table
1700
1701
1702 @subsection Euler gamma
1703 @cindex Euler's constant
1704
1705 Euler's constant C = 0.577@dots{} is returned by the following functions:
1706
1707 @table @code
1708 @item cl_F eulerconst (float_format_t f)
1709 @cindex @code{eulerconst ()}
1710 Returns Euler's constant as a float of format @code{f}.
1711
1712 @item cl_F eulerconst (const cl_F& y)
1713 Returns Euler's constant in the float format of @code{y}.
1714
1715 @item cl_F eulerconst (void)
1716 Returns Euler's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1717 @end table
1718
1719 Catalan's constant G = 0.915@dots{} is returned by the following functions:
1720 @cindex Catalan's constant
1721
1722 @table @code
1723 @item cl_F catalanconst (float_format_t f)
1724 @cindex @code{catalanconst ()}
1725 Returns Catalan's constant as a float of format @code{f}.
1726
1727 @item cl_F catalanconst (const cl_F& y)
1728 Returns Catalan's constant in the float format of @code{y}.
1729
1730 @item cl_F catalanconst (void)
1731 Returns Catalan's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1732 @end table
1733
1734
1735 @subsection Riemann zeta
1736 @cindex Riemann's zeta
1737
1738 Riemann's zeta function at an integral point @code{s>1} is returned by the
1739 following functions:
1740
1741 @table @code
1742 @item cl_F zeta (int s, float_format_t f)
1743 @cindex @code{zeta ()}
1744 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format @code{f}.
1745
1746 @item cl_F zeta (int s, const cl_F& y)
1747 Returns Riemann's zeta function at @code{s} in the float format of @code{y}.
1748
1749 @item cl_F zeta (int s)
1750 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format
1751 @code{default_float_format}.
1752 @end table
1753
1754
1755 @section Functions on integers
1756
1757 @subsection Logical functions
1758
1759 Integers, when viewed as in two's complement notation, can be thought as
1760 infinite bit strings where the bits' values eventually are constant.
1761 For example,
1762 @example
1763     17 = ......00010001
1764     -6 = ......11111010
1765 @end example
1766
1767 The logical operations view integers as such bit strings and operate
1768 on each of the bit positions in parallel.
1769
1770 @table @code
1771 @item cl_I lognot (const cl_I& x)
1772 @cindex @code{lognot ()}
1773 @itemx cl_I operator ~ (const cl_I& x)
1774 @cindex @code{operator ~ ()}
1775 Logical not, like @code{~x} in C. This is the same as @code{-1-x}.
1776
1777 @item cl_I logand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1778 @cindex @code{logand ()}
1779 @itemx cl_I operator & (const cl_I& x, const cl_I& y)
1780 @cindex @code{operator & ()}
1781 Logical and, like @code{x & y} in C.
1782
1783 @item cl_I logior (const cl_I& x, const cl_I& y)
1784 @cindex @code{logior ()}
1785 @itemx cl_I operator | (const cl_I& x, const cl_I& y)
1786 @cindex @code{operator | ()}
1787 Logical (inclusive) or, like @code{x | y} in C.
1788
1789 @item cl_I logxor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1790 @cindex @code{logxor ()}
1791 @itemx cl_I operator ^ (const cl_I& x, const cl_I& y)
1792 @cindex @code{operator ^ ()}
1793 Exclusive or, like @code{x ^ y} in C.
1794
1795 @item cl_I logeqv (const cl_I& x, const cl_I& y)
1796 @cindex @code{logeqv ()}
1797 Bitwise equivalence, like @code{~(x ^ y)} in C.
1798
1799 @item cl_I lognand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1800 @cindex @code{lognand ()}
1801 Bitwise not and, like @code{~(x & y)} in C.
1802
1803 @item cl_I lognor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1804 @cindex @code{lognor ()}
1805 Bitwise not or, like @code{~(x | y)} in C.
1806
1807 @item cl_I logandc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1808 @cindex @code{logandc1 ()}
1809 Logical and, complementing the first argument, like @code{~x & y} in C.
1810
1811 @item cl_I logandc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1812 @cindex @code{logandc2 ()}
1813 Logical and, complementing the second argument, like @code{x & ~y} in C.
1814
1815 @item cl_I logorc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1816 @cindex @code{logorc1 ()}
1817 Logical or, complementing the first argument, like @code{~x | y} in C.
1818
1819 @item cl_I logorc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1820 @cindex @code{logorc2 ()}
1821 Logical or, complementing the second argument, like @code{x | ~y} in C.
1822 @end table
1823
1824 These operations are all available though the function
1825 @table @code
1826 @item cl_I boole (cl_boole op, const cl_I& x, const cl_I& y)
1827 @cindex @code{boole ()}
1828 @end table
1829 where @code{op} must have one of the 16 values (each one stands for a function
1830 which combines two bits into one bit): @code{boole_clr}, @code{boole_set},
1831 @code{boole_1}, @code{boole_2}, @code{boole_c1}, @code{boole_c2},
1832 @code{boole_and}, @code{boole_ior}, @code{boole_xor}, @code{boole_eqv},
1833 @code{boole_nand}, @code{boole_nor}, @code{boole_andc1}, @code{boole_andc2},
1834 @code{boole_orc1}, @code{boole_orc2}.
1835 @cindex @code{boole_clr}
1836 @cindex @code{boole_set}
1837 @cindex @code{boole_1}
1838 @cindex @code{boole_2}
1839 @cindex @code{boole_c1}
1840 @cindex @code{boole_c2}
1841 @cindex @code{boole_and}
1842 @cindex @code{boole_xor}
1843 @cindex @code{boole_eqv}
1844 @cindex @code{boole_nand}
1845 @cindex @code{boole_nor}
1846 @cindex @code{boole_andc1}
1847 @cindex @code{boole_andc2}
1848 @cindex @code{boole_orc1}
1849 @cindex @code{boole_orc2}
1850
1851
1852 Other functions that view integers as bit strings:
1853
1854 @table @code
1855 @item cl_boolean logtest (const cl_I& x, const cl_I& y)
1856 @cindex @code{logtest ()}
1857 Returns true if some bit is set in both @code{x} and @code{y}, i.e. if
1858 @code{logand(x,y) != 0}.
1859
1860 @item cl_boolean logbitp (const cl_I& n, const cl_I& x)
1861 @cindex @code{logbitp ()}
1862 Returns true if the @code{n}th bit (from the right) of @code{x} is set.
1863 Bit 0 is the least significant bit.
1864
1865 @item uintL logcount (const cl_I& x)
1866 @cindex @code{logcount ()}
1867 Returns the number of one bits in @code{x}, if @code{x} >= 0, or
1868 the number of zero bits in @code{x}, if @code{x} < 0.
1869 @end table
1870
1871 The following functions operate on intervals of bits in integers. 
1872 The type
1873 @example
1874 struct cl_byte @{ uintL size; uintL position; @};
1875 @end example
1876 @cindex @code{cl_byte}
1877 represents the bit interval containing the bits
1878 @code{position}@dots{}@code{position+size-1} of an integer.
1879 The constructor @code{cl_byte(size,position)} constructs a @code{cl_byte}.
1880
1881 @table @code
1882 @item cl_I ldb (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1883 @cindex @code{ldb ()}
1884 extracts the bits of @code{n} described by the bit interval @code{b}
1885 and returns them as a nonnegative integer with @code{b.size} bits.
1886
1887 @item cl_boolean ldb_test (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1888 @cindex @code{ldb_test ()}
1889 Returns true if some bit described by the bit interval @code{b} is set in
1890 @code{n}.
1891
1892 @item cl_I dpb (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1893 @cindex @code{dpb ()}
1894 Returns @code{n}, with the bits described by the bit interval @code{b}
1895 replaced by @code{newbyte}. Only the lowest @code{b.size} bits of
1896 @code{newbyte} are relevant.
1897 @end table
1898
1899 The functions @code{ldb} and @code{dpb} implicitly shift. The following
1900 functions are their counterparts without shifting:
1901
1902 @table @code
1903 @item cl_I mask_field (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1904 @cindex @code{mask_field ()}
1905 returns an integer with the bits described by the bit interval @code{b}
1906 copied from the corresponding bits in @code{n}, the other bits zero.
1907
1908 @item cl_I deposit_field (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1909 @cindex @code{deposit_field ()}
1910 returns an integer where the bits described by the bit interval @code{b}
1911 come from @code{newbyte} and the other bits come from @code{n}.
1912 @end table
1913
1914 The following relations hold:
1915
1916 @itemize @asis
1917 @item
1918 @code{ldb (n, b) = mask_field(n, b) >> b.position},
1919 @item
1920 @code{dpb (newbyte, n, b) = deposit_field (newbyte << b.position, n, b)},
1921 @item
1922 @code{deposit_field(newbyte,n,b) = n ^ mask_field(n,b) ^ mask_field(new_byte,b)}.
1923 @end itemize
1924
1925 The following operations on integers as bit strings are efficient shortcuts
1926 for common arithmetic operations:
1927
1928 @table @code
1929 @item cl_boolean oddp (const cl_I& x)
1930 @cindex @code{oddp ()}
1931 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 1. Equivalent to
1932 @code{mod(x,2) != 0}.
1933
1934 @item cl_boolean evenp (const cl_I& x)
1935 @cindex @code{evenp ()}
1936 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 0. Equivalent to
1937 @code{mod(x,2) == 0}.
1938
1939 @item cl_I operator << (const cl_I& x, const cl_I& n)
1940 @cindex @code{operator << ()}
1941 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the left. @code{n} should be >=0.
1942 Equivalent to @code{x * expt(2,n)}.
1943
1944 @item cl_I operator >> (const cl_I& x, const cl_I& n)
1945 @cindex @code{operator >> ()}
1946 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the right. @code{n} should be >=0.
1947 Bits shifted out to the right are thrown away.
1948 Equivalent to @code{floor(x / expt(2,n))}.
1949
1950 @item cl_I ash (const cl_I& x, const cl_I& y)
1951 @cindex @code{ash ()}
1952 Shifts @code{x} by @code{y} bits to the left (if @code{y}>=0) or
1953 by @code{-y} bits to the right (if @code{y}<=0). In other words, this
1954 returns @code{floor(x * expt(2,y))}.
1955
1956 @item uintL integer_length (const cl_I& x)
1957 @cindex @code{integer_length ()}
1958 Returns the number of bits (excluding the sign bit) needed to represent @code{x}
1959 in two's complement notation. This is the smallest n >= 0 such that
1960 -2^n <= x < 2^n. If x > 0, this is the unique n > 0 such that
1961 2^(n-1) <= x < 2^n.
1962
1963 @item uintL ord2 (const cl_I& x)
1964 @cindex @code{ord2 ()}
1965 @code{x} must be non-zero. This function returns the number of 0 bits at the
1966 right of @code{x} in two's complement notation. This is the largest n >= 0
1967 such that 2^n divides @code{x}.
1968
1969 @item uintL power2p (const cl_I& x)
1970 @cindex @code{power2p ()}
1971 @code{x} must be > 0. This function checks whether @code{x} is a power of 2.
1972 If @code{x} = 2^(n-1), it returns n. Else it returns 0.
1973 (See also the function @code{logp}.)
1974 @end table
1975
1976
1977 @subsection Number theoretic functions
1978
1979 @table @code
1980 @item uint32 gcd (uint32 a, uint32 b)
1981 @cindex @code{gcd ()}
1982 @itemx cl_I gcd (const cl_I& a, const cl_I& b)
1983 This function returns the greatest common divisor of @code{a} and @code{b},
1984 normalized to be >= 0.
1985
1986 @item cl_I xgcd (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_I* u, cl_I* v)
1987 @cindex @code{xgcd ()}
1988 This function (``extended gcd'') returns the greatest common divisor @code{g} of
1989 @code{a} and @code{b} and at the same time the representation of @code{g}
1990 as an integral linear combination of @code{a} and @code{b}:
1991 @code{u} and @code{v} with @code{u*a+v*b = g}, @code{g} >= 0.
1992 @code{u} and @code{v} will be normalized to be of smallest possible absolute
1993 value, in the following sense: If @code{a} and @code{b} are non-zero, and
1994 @code{abs(a) != abs(b)}, @code{u} and @code{v} will satisfy the inequalities
1995 @code{abs(u) <= abs(b)/(2*g)}, @code{abs(v) <= abs(a)/(2*g)}.
1996
1997 @item cl_I lcm (const cl_I& a, const cl_I& b)
1998 @cindex @code{lcm ()}
1999 This function returns the least common multiple of @code{a} and @code{b},
2000 normalized to be >= 0.
2001
2002 @item cl_boolean logp (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_RA* l)
2003 @cindex @code{logp ()}
2004 @itemx cl_boolean logp (const cl_RA& a, const cl_RA& b, cl_RA* l)
2005 @code{a} must be > 0. @code{b} must be >0 and != 1. If log(a,b) is
2006 rational number, this function returns true and sets *l = log(a,b), else
2007 it returns false.
2008
2009 @item int jacobi (sint32 a, sint32 b)
2010 @cindex @code{jacobi()}
2011 @itemx int jacobi (const cl_I& a, const cl_I& b)
2012 Returns the Jacobi symbol 
2013 @tex 
2014 $\left({a\over b}\right)$,
2015 @end tex
2016 @ifnottex 
2017 (a/b),
2018 @end ifnottex
2019 @code{a,b} must be integers, @code{b>0} and odd. The result is 0
2020 iff gcd(a,b)>1.
2021
2022 @item cl_boolean isprobprime (const cl_I& n)
2023 @cindex prime
2024 @cindex @code{isprobprime()}
2025 Returns true if @code{n} is a small prime or passes the Miller-Rabin 
2026 primality test. The probability of a false positive is 1:10^30.
2027
2028 @item cl_I nextprobprime (const cl_R& x)
2029 @cindex @code{nextprobprime()}
2030 Returns the smallest probable prime >=@code{x}.
2031 @end table
2032
2033
2034 @subsection Combinatorial functions
2035
2036 @table @code
2037 @item cl_I factorial (uintL n)
2038 @cindex @code{factorial ()}
2039 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the factorial
2040 @code{n}! = @code{1*2*@dots{}*n}.
2041
2042 @item cl_I doublefactorial (uintL n)
2043 @cindex @code{doublefactorial ()}
2044 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the 
2045 doublefactorial @code{n}!! = @code{1*3*@dots{}*n} or 
2046 @code{n}!! = @code{2*4*@dots{}*n}, respectively.
2047
2048 @item cl_I binomial (uintL n, uintL k)
2049 @cindex @code{binomial ()}
2050 @code{n} and @code{k} must be small integers >= 0. This function returns the
2051 binomial coefficient
2052 @tex
2053 ${n \choose k} = {n! \over n! (n-k)!}$
2054 @end tex
2055 @ifinfo
2056 (@code{n} choose @code{k}) = @code{n}! / @code{k}! @code{(n-k)}!
2057 @end ifinfo
2058 for 0 <= k <= n, 0 else.
2059 @end table
2060
2061
2062 @section Functions on floating-point numbers
2063
2064 Recall that a floating-point number consists of a sign @code{s}, an
2065 exponent @code{e} and a mantissa @code{m}. The value of the number is
2066 @code{(-1)^s * 2^e * m}.
2067
2068 Each of the classes
2069 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2070 defines the following operations.
2071
2072 @table @code
2073 @item @var{type} scale_float (const @var{type}& x, sintL delta)
2074 @cindex @code{scale_float ()}
2075 @itemx @var{type} scale_float (const @var{type}& x, const cl_I& delta)
2076 Returns @code{x*2^delta}. This is more efficient than an explicit multiplication
2077 because it copies @code{x} and modifies the exponent.
2078 @end table
2079
2080 The following functions provide an abstract interface to the underlying
2081 representation of floating-point numbers.
2082
2083 @table @code
2084 @item sintL float_exponent (const @var{type}& x)
2085 @cindex @code{float_exponent ()}
2086 Returns the exponent @code{e} of @code{x}.
2087 For @code{x = 0.0}, this is 0. For @code{x} non-zero, this is the unique
2088 integer with @code{2^(e-1) <= abs(x) < 2^e}.
2089
2090 @item sintL float_radix (const @var{type}& x)
2091 @cindex @code{float_radix ()}
2092 Returns the base of the floating-point representation. This is always @code{2}.
2093
2094 @item @var{type} float_sign (const @var{type}& x)
2095 @cindex @code{float_sign ()}
2096 Returns the sign @code{s} of @code{x} as a float. The value is 1 for
2097 @code{x} >= 0, -1 for @code{x} < 0.
2098
2099 @item uintL float_digits (const @var{type}& x)
2100 @cindex @code{float_digits ()}
2101 Returns the number of mantissa bits in the floating-point representation
2102 of @code{x}, including the hidden bit. The value only depends on the type
2103 of @code{x}, not on its value.
2104
2105 @item uintL float_precision (const @var{type}& x)
2106 @cindex @code{float_precision ()}
2107 Returns the number of significant mantissa bits in the floating-point
2108 representation of @code{x}. Since denormalized numbers are not supported,
2109 this is the same as @code{float_digits(x)} if @code{x} is non-zero, and
2110 0 if @code{x} = 0.
2111 @end table
2112
2113 The complete internal representation of a float is encoded in the type
2114 @cindex @code{decoded_float}
2115 @cindex @code{decoded_sfloat}
2116 @cindex @code{decoded_ffloat}
2117 @cindex @code{decoded_dfloat}
2118 @cindex @code{decoded_lfloat}
2119 @code{decoded_float} (or @code{decoded_sfloat}, @code{decoded_ffloat},
2120 @code{decoded_dfloat}, @code{decoded_lfloat}, respectively), defined by
2121 @example
2122 struct decoded_@var{type}float @{
2123         @var{type} mantissa; cl_I exponent; @var{type} sign;
2124 @};
2125 @end example
2126
2127 and returned by the function
2128
2129 @table @code
2130 @item decoded_@var{type}float decode_float (const @var{type}& x)
2131 @cindex @code{decode_float ()}
2132 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2133 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{0.5 <= m < 1.0}. For @code{x} = 0,
2134 it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2135 @code{e} is the same as returned by the function @code{float_exponent}.
2136 @end table
2137
2138 A complete decoding in terms of integers is provided as type
2139 @cindex @code{cl_idecoded_float}
2140 @example
2141 struct cl_idecoded_float @{
2142         cl_I mantissa; cl_I exponent; cl_I sign;
2143 @};
2144 @end example
2145 by the following function:
2146
2147 @table @code
2148 @item cl_idecoded_float integer_decode_float (const @var{type}& x)
2149 @cindex @code{integer_decode_float ()}
2150 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2151 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{m} an integer with @code{float_digits(x)}
2152 bits. For @code{x} = 0, it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2153 WARNING: The exponent @code{e} is not the same as the one returned by
2154 the functions @code{decode_float} and @code{float_exponent}.
2155 @end table
2156
2157 Some other function, implemented only for class @code{cl_F}:
2158
2159 @table @code
2160 @item cl_F float_sign (const cl_F& x, const cl_F& y)
2161 @cindex @code{float_sign ()}
2162 This returns a floating point number whose precision and absolute value
2163 is that of @code{y} and whose sign is that of @code{x}. If @code{x} is
2164 zero, it is treated as positive. Same for @code{y}.
2165 @end table
2166
2167
2168 @section Conversion functions
2169 @cindex conversion
2170
2171 @subsection Conversion to floating-point numbers
2172
2173 The type @code{float_format_t} describes a floating-point format.
2174 @cindex @code{float_format_t}
2175
2176 @table @code
2177 @item float_format_t float_format (uintL n)
2178 @cindex @code{float_format ()}
2179 Returns the smallest float format which guarantees at least @code{n}
2180 decimal digits in the mantissa (after the decimal point).
2181
2182 @item float_format_t float_format (const cl_F& x)
2183 Returns the floating point format of @code{x}.
2184
2185 @item float_format_t default_float_format
2186 @cindex @code{default_float_format}
2187 Global variable: the default float format used when converting rational numbers
2188 to floats.
2189 @end table
2190
2191 To convert a real number to a float, each of the types
2192 @code{cl_R}, @code{cl_F}, @code{cl_I}, @code{cl_RA},
2193 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{float}, @code{double}
2194 defines the following operations:
2195
2196 @table @code
2197 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, float_format_t f)
2198 @cindex @code{cl_float ()}
2199 Returns @code{x} as a float of format @code{f}.
2200 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, const cl_F& y)
2201 Returns @code{x} in the float format of @code{y}.
2202 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x)
2203 Returns @code{x} as a float of format @code{default_float_format} if
2204 it is an exact number, or @code{x} itself if it is already a float.
2205 @end table
2206
2207 Of course, converting a number to a float can lose precision.
2208
2209 Every floating-point format has some characteristic numbers:
2210
2211 @table @code
2212 @item cl_F most_positive_float (float_format_t f)
2213 @cindex @code{most_positive_float ()}
2214 Returns the largest (most positive) floating point number in float format @code{f}.
2215
2216 @item cl_F most_negative_float (float_format_t f)
2217 @cindex @code{most_negative_float ()}
2218 Returns the smallest (most negative) floating point number in float format @code{f}.
2219
2220 @item cl_F least_positive_float (float_format_t f)
2221 @cindex @code{least_positive_float ()}
2222 Returns the least positive floating point number (i.e. > 0 but closest to 0)
2223 in float format @code{f}.
2224
2225 @item cl_F least_negative_float (float_format_t f)
2226 @cindex @code{least_negative_float ()}
2227 Returns the least negative floating point number (i.e. < 0 but closest to 0)
2228 in float format @code{f}.
2229
2230 @item cl_F float_epsilon (float_format_t f)
2231 @cindex @code{float_epsilon ()}
2232 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1+e != 1}.
2233
2234 @item cl_F float_negative_epsilon (float_format_t f)
2235 @cindex @code{float_negative_epsilon ()}
2236 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1-e != 1}.
2237 @end table
2238
2239
2240 @subsection Conversion to rational numbers
2241
2242 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_F}
2243 defines the following operation:
2244
2245 @table @code
2246 @item cl_RA rational (const @var{type}& x)
2247 @cindex @code{rational ()}
2248 Returns the value of @code{x} as an exact number. If @code{x} is already
2249 an exact number, this is @code{x}. If @code{x} is a floating-point number,
2250 the value is a rational number whose denominator is a power of 2.
2251 @end table
2252
2253 In order to convert back, say, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3"} to @code{1/3}, there is
2254 the function
2255
2256 @table @code
2257 @item cl_RA rationalize (const cl_R& x)
2258 @cindex @code{rationalize ()}
2259 If @code{x} is a floating-point number, it actually represents an interval
2260 of real numbers, and this function returns the rational number with
2261 smallest denominator (and smallest numerator, in magnitude)
2262 which lies in this interval.
2263 If @code{x} is already an exact number, this function returns @code{x}.
2264 @end table
2265
2266 If @code{x} is any float, one has
2267
2268 @itemize @asis
2269 @item
2270 @code{cl_float(rational(x),x) = x}
2271 @item
2272 @code{cl_float(rationalize(x),x) = x}
2273 @end itemize
2274
2275
2276 @section Random number generators
2277
2278
2279 A random generator is a machine which produces (pseudo-)random numbers.
2280 The include file @code{<cln/random.h>} defines a class @code{random_state}
2281 which contains the state of a random generator. If you make a copy
2282 of the random number generator, the original one and the copy will produce
2283 the same sequence of random numbers.
2284
2285 The following functions return (pseudo-)random numbers in different formats.
2286 Calling one of these modifies the state of the random number generator in
2287 a complicated but deterministic way.
2288
2289 The global variable
2290 @cindex @code{random_state}
2291 @cindex @code{default_random_state}
2292 @example
2293 random_state default_random_state
2294 @end example
2295 contains a default random number generator. It is used when the functions
2296 below are called without @code{random_state} argument.
2297
2298 @table @code
2299 @item uint32 random32 (random_state& randomstate)
2300 @itemx uint32 random32 ()
2301 @cindex @code{random32 ()}
2302 Returns a random unsigned 32-bit number. All bits are equally random.
2303
2304 @item cl_I random_I (random_state& randomstate, const cl_I& n)
2305 @itemx cl_I random_I (const cl_I& n)
2306 @cindex @code{random_I ()}
2307 @code{n} must be an integer > 0. This function returns a random integer @code{x}
2308 in the range @code{0 <= x < n}.
2309
2310 @item cl_F random_F (random_state& randomstate, const cl_F& n)
2311 @itemx cl_F random_F (const cl_F& n)
2312 @cindex @code{random_F ()}
2313 @code{n} must be a float > 0. This function returns a random floating-point
2314 number of the same format as @code{n} in the range @code{0 <= x < n}.
2315
2316 @item cl_R random_R (random_state& randomstate, const cl_R& n)
2317 @itemx cl_R random_R (const cl_R& n)
2318 @cindex @code{random_R ()}
2319 Behaves like @code{random_I} if @code{n} is an integer and like @code{random_F}
2320 if @code{n} is a float.
2321 @end table
2322
2323
2324 @section Obfuscating operators
2325 @cindex modifying operators
2326
2327 The modifying C/C++ operators @code{+=}, @code{-=}, @code{*=}, @code{/=},
2328 @code{&=}, @code{|=}, @code{^=}, @code{<<=}, @code{>>=}
2329 are not available by default because their
2330 use tends to make programs unreadable. It is trivial to get away without
2331 them. However, if you feel that you absolutely need these operators
2332 to get happy, then add
2333 @example
2334 #define WANT_OBFUSCATING_OPERATORS
2335 @end example
2336 @cindex @code{WANT_OBFUSCATING_OPERATORS}
2337 to the beginning of your source files, before the inclusion of any CLN
2338 include files. This flag will enable the following operators:
2339
2340 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
2341 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2342
2343 @table @code
2344 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2345 @cindex @code{operator += ()}
2346 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2347 @cindex @code{operator -= ()}
2348 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2349 @cindex @code{operator *= ()}
2350 @itemx @var{type}& operator /= (@var{type}&, const @var{type}&)
2351 @cindex @code{operator /= ()}
2352 @end table
2353
2354 For the class @code{cl_I}:
2355
2356 @table @code
2357 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2358 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2359 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2360 @itemx @var{type}& operator &= (@var{type}&, const @var{type}&)
2361 @cindex @code{operator &= ()}
2362 @itemx @var{type}& operator |= (@var{type}&, const @var{type}&)
2363 @cindex @code{operator |= ()}
2364 @itemx @var{type}& operator ^= (@var{type}&, const @var{type}&)
2365 @cindex @code{operator ^= ()}
2366 @itemx @var{type}& operator <<= (@var{type}&, const @var{type}&)
2367 @cindex @code{operator <<= ()}
2368 @itemx @var{type}& operator >>= (@var{type}&, const @var{type}&)
2369 @cindex @code{operator >>= ()}
2370 @end table
2371
2372 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2373 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2374
2375 @table @code
2376 @item @var{type}& operator ++ (@var{type}& x)
2377 @cindex @code{operator ++ ()}
2378 The prefix operator @code{++x}.
2379
2380 @item void operator ++ (@var{type}& x, int)
2381 The postfix operator @code{x++}.
2382
2383 @item @var{type}& operator -- (@var{type}& x)
2384 @cindex @code{operator -- ()}
2385 The prefix operator @code{--x}.
2386
2387 @item void operator -- (@var{type}& x, int)
2388 The postfix operator @code{x--}.
2389 @end table
2390
2391 Note that by using these obfuscating operators, you wouldn't gain efficiency:
2392 In CLN @samp{x += y;} is exactly the same as  @samp{x = x+y;}, not more
2393 efficient.
2394
2395
2396 @chapter Input/Output
2397 @cindex Input/Output
2398
2399 @section Internal and printed representation
2400 @cindex representation
2401
2402 All computations deal with the internal representations of the numbers.
2403
2404 Every number has an external representation as a sequence of ASCII characters.
2405 Several external representations may denote the same number, for example,
2406 "20.0" and "20.000".
2407
2408 Converting an internal to an external representation is called ``printing'',
2409 @cindex printing
2410 converting an external to an internal representation is called ``reading''.
2411 @cindex reading
2412 In CLN, it is always true that conversion of an internal to an external
2413 representation and then back to an internal representation will yield the
2414 same internal representation. Symbolically: @code{read(print(x)) == x}.
2415 This is called ``print-read consistency''. 
2416
2417 Different types of numbers have different external representations (case
2418 is insignificant):
2419
2420 @table @asis
2421 @item Integers
2422 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+. The reader also accepts the
2423 Common Lisp syntaxes @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{.} with a trailing dot
2424 for decimal integers
2425 and the @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes.
2426
2427 @item Rational numbers
2428 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{/}@{@var{digit}@}+.
2429 The @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes are allowed
2430 here as well.
2431
2432 @item Floating-point numbers
2433 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2434 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2435 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}+. A precision specifier
2436 of the form _@var{prec} may be appended. There must be at least
2437 one digit in the non-exponent part. The exponent has the syntax
2438 @var{expmarker} @var{expsign} @{@var{digit}@}+.
2439 The exponent marker is
2440
2441 @itemize @asis
2442 @item
2443 @samp{s} for short-floats,
2444 @item
2445 @samp{f} for single-floats,
2446 @item
2447 @samp{d} for double-floats,
2448 @item
2449 @samp{L} for long-floats,
2450 @end itemize
2451
2452 or @samp{e}, which denotes a default float format. The precision specifying
2453 suffix has the syntax _@var{prec} where @var{prec} denotes the number of
2454 valid mantissa digits (in decimal, excluding leading zeroes), cf. also
2455 function @samp{float_format}.
2456
2457 @item Complex numbers
2458 External representation:
2459 @itemize @asis
2460 @item
2461 In algebraic notation: @code{@var{realpart}+@var{imagpart}i}. Of course,
2462 if @var{imagpart} is negative, its printed representation begins with
2463 a @samp{-}, and the @samp{+} between @var{realpart} and @var{imagpart}
2464 may be omitted. Note that this notation cannot be used when the @var{imagpart}
2465 is rational and the rational number's base is >18, because the @samp{i}
2466 is then read as a digit.
2467 @item
2468 In Common Lisp notation: @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}.
2469 @end itemize
2470 @end table
2471
2472
2473 @section Input functions
2474
2475 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple input functions
2476 that read from @code{std::istream&}:
2477
2478 @table @code
2479 @item int freadchar (std::istream& stream)
2480 Reads a character from @code{stream}. Returns @code{cl_EOF} (not a @samp{char}!)
2481 if the end of stream was encountered or an error occurred.
2482
2483 @item int funreadchar (std::istream& stream, int c)
2484 Puts back @code{c} onto @code{stream}. @code{c} must be the result of the
2485 last @code{freadchar} operation on @code{stream}.
2486 @end table
2487
2488 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2489 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2490 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following input function:
2491
2492 @table @code
2493 @item std::istream& operator>> (std::istream& stream, @var{type}& result)
2494 Reads a number from @code{stream} and stores it in the @code{result}.
2495 @end table
2496
2497 The most flexible input functions, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2498 are the following:
2499
2500 @table @code
2501 @item cl_N read_complex (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2502 @itemx cl_R read_real (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2503 @itemx cl_F read_float (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2504 @itemx cl_RA read_rational (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2505 @itemx cl_I read_integer (std::istream& stream, const cl_read_flags& flags)
2506 Reads a number from @code{stream}. The @code{flags} are parameters which
2507 affect the input syntax. Whitespace before the number is silently skipped.
2508
2509 @item cl_N read_complex (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2510 @itemx cl_R read_real (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2511 @itemx cl_F read_float (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2512 @itemx cl_RA read_rational (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2513 @itemx cl_I read_integer (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2514 Reads a number from a string in memory. The @code{flags} are parameters which
2515 affect the input syntax. The string starts at @code{string} and ends at
2516 @code{string_limit} (exclusive limit). @code{string_limit} may also be
2517 @code{NULL}, denoting the entire string, i.e. equivalent to
2518 @code{string_limit = string + strlen(string)}. If @code{end_of_parse} is
2519 @code{NULL}, the string in memory must contain exactly one number and nothing
2520 more, else a fatal error will be signalled. If @code{end_of_parse}
2521 is not @code{NULL}, @code{*end_of_parse} will be assigned a pointer past
2522 the last parsed character (i.e. @code{string_limit} if nothing came after
2523 the number). Whitespace is not allowed.
2524 @end table
2525
2526 The structure @code{cl_read_flags} contains the following fields:
2527
2528 @table @code
2529 @item cl_read_syntax_t syntax
2530 The possible results of the read operation. Possible values are
2531 @code{syntax_number}, @code{syntax_real}, @code{syntax_rational},
2532 @code{syntax_integer}, @code{syntax_float}, @code{syntax_sfloat},
2533 @code{syntax_ffloat}, @code{syntax_dfloat}, @code{syntax_lfloat}.
2534
2535 @item cl_read_lsyntax_t lsyntax
2536 Specifies the language-dependent syntax variant for the read operation.
2537 Possible values are
2538
2539 @table @code
2540 @item lsyntax_standard
2541 accept standard algebraic notation only, no complex numbers,
2542 @item lsyntax_algebraic
2543 accept the algebraic notation @code{@var{x}+@var{y}i} for complex numbers,
2544 @item lsyntax_commonlisp
2545 accept the @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} syntaxes for binary, octal,
2546 hexadecimal numbers,
2547 @code{#@var{base}R} for rational numbers in a given base,
2548 @code{#c(@var{realpart} @var{imagpart})} for complex numbers,
2549 @item lsyntax_all
2550 accept all of these extensions.
2551 @end table
2552
2553 @item unsigned int rational_base
2554 The base in which rational numbers are read.
2555
2556 @item float_format_t float_flags.default_float_format
2557 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{e}.
2558
2559 @item float_format_t float_flags.default_lfloat_format
2560 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{l}.
2561
2562 @item cl_boolean float_flags.mantissa_dependent_float_format
2563 When this flag is true, floats specified with more digits than corresponding
2564 to the exponent marker they contain, but without @var{_nnn} suffix, will get a
2565 precision corresponding to their number of significant digits.
2566 @end table
2567
2568
2569 @section Output functions
2570
2571 Including @code{<cln/io.h>} defines a number of simple output functions
2572 that write to @code{std::ostream&}:
2573
2574 @table @code
2575 @item void fprintchar (std::ostream& stream, char c)
2576 Prints the character @code{x} literally on the @code{stream}.
2577
2578 @item void fprint (std::ostream& stream, const char * string)
2579 Prints the @code{string} literally on the @code{stream}.
2580
2581 @item void fprintdecimal (std::ostream& stream, int x)
2582 @itemx void fprintdecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2583 Prints the integer @code{x} in decimal on the @code{stream}.
2584
2585 @item void fprintbinary (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2586 Prints the integer @code{x} in binary (base 2, without prefix)
2587 on the @code{stream}.
2588
2589 @item void fprintoctal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2590 Prints the integer @code{x} in octal (base 8, without prefix)
2591 on the @code{stream}.
2592
2593 @item void fprinthexadecimal (std::ostream& stream, const cl_I& x)
2594 Prints the integer @code{x} in hexadecimal (base 16, without prefix)
2595 on the @code{stream}.
2596 @end table
2597
2598 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2599 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2600 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following output functions:
2601
2602 @table @code
2603 @item void fprint (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2604 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const @var{type}& x)
2605 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2606 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2607 The @code{ostream} flags and settings (flags, width and locale) are
2608 ignored.
2609 @end table
2610
2611 The most flexible output function, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2612 are the following:
2613 @example
2614 void print_complex  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2615                      const cl_N& z);
2616 void print_real     (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2617                      const cl_R& z);
2618 void print_float    (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2619                      const cl_F& z);
2620 void print_rational (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2621                      const cl_RA& z);
2622 void print_integer  (std::ostream& stream, const cl_print_flags& flags,
2623                      const cl_I& z);
2624 @end example
2625 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The @code{flags} are
2626 parameters which affect the output.
2627
2628 The structure type @code{cl_print_flags} contains the following fields:
2629
2630 @table @code
2631 @item unsigned int rational_base
2632 The base in which rational numbers are printed. Default is @code{10}.
2633
2634 @item cl_boolean rational_readably
2635 If this flag is true, rational numbers are printed with radix specifiers in
2636 Common Lisp syntax (@code{#@var{n}R} or @code{#b} or @code{#o} or @code{#x}
2637 prefixes, trailing dot). Default is false.
2638
2639 @item cl_boolean float_readably
2640 If this flag is true, type specific exponent markers have precedence over 'E'.
2641 Default is false.
2642
2643 @item float_format_t default_float_format
2644 Floating point numbers of this format will be printed using the 'E' exponent
2645 marker. Default is @code{float_format_ffloat}.
2646
2647 @item cl_boolean complex_readably
2648 If this flag is true, complex numbers will be printed using the Common Lisp
2649 syntax @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}. Default is false.
2650
2651 @item cl_string univpoly_varname
2652 Univariate polynomials with no explicit indeterminate name will be printed
2653 using this variable name. Default is @code{"x"}.
2654 @end table
2655
2656 The global variable @code{default_print_flags} contains the default values,
2657 used by the function @code{fprint}.
2658
2659
2660 @chapter Rings
2661
2662 CLN has a class of abstract rings.
2663
2664 @example
2665                          Ring
2666                        cl_ring
2667                      <cln/ring.h>
2668 @end example
2669
2670 Rings can be compared for equality:
2671
2672 @table @code
2673 @item bool operator== (const cl_ring&, const cl_ring&)
2674 @itemx bool operator!= (const cl_ring&, const cl_ring&)
2675 These compare two rings for equality.
2676 @end table
2677
2678 Given a ring @code{R}, the following members can be used.
2679
2680 @table @code
2681 @item void R->fprint (std::ostream& stream, const cl_ring_element& x)
2682 @cindex @code{fprint ()}
2683 @itemx cl_boolean R->equal (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2684 @cindex @code{equal ()}
2685 @itemx cl_ring_element R->zero ()
2686 @cindex @code{zero ()}
2687 @itemx cl_boolean R->zerop (const cl_ring_element& x)
2688 @cindex @code{zerop ()}
2689 @itemx cl_ring_element R->plus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2690 @cindex @code{plus ()}
2691 @itemx cl_ring_element R->minus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2692 @cindex @code{minus ()}
2693 @itemx cl_ring_element R->uminus (const cl_ring_element& x)
2694 @cindex @code{uminus ()}
2695 @itemx cl_ring_element R->one ()
2696 @cindex @code{one ()}
2697 @itemx cl_ring_element R->canonhom (const cl_I& x)
2698 @cindex @code{canonhom ()}
2699 @itemx cl_ring_element R->mul (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2700 @cindex @code{mul ()}
2701 @itemx cl_ring_element R->square (const cl_ring_element& x)
2702 @cindex @code{square ()}
2703 @itemx cl_ring_element R->expt_pos (const cl_ring_element& x, const cl_I& y)
2704 @cindex @code{expt_pos ()}
2705 @end table
2706
2707 The following rings are built-in.
2708
2709 @table @code
2710 @item cl_null_ring cl_0_ring
2711 The null ring, containing only zero.
2712
2713 @item cl_complex_ring cl_C_ring
2714 The ring of complex numbers. This corresponds to the type @code{cl_N}.
2715
2716 @item cl_real_ring cl_R_ring
2717 The ring of real numbers. This corresponds to the type @code{cl_R}.
2718
2719 @item cl_rational_ring cl_RA_ring
2720 The ring of rational numbers. This corresponds to the type @code{cl_RA}.
2721
2722 @item cl_integer_ring cl_I_ring
2723 The ring of integers. This corresponds to the type @code{cl_I}.
2724 @end table
2725
2726 Type tests can be performed for any of @code{cl_C_ring}, @code{cl_R_ring},
2727 @code{cl_RA_ring}, @code{cl_I_ring}:
2728
2729 @table @code
2730 @item cl_boolean instanceof (const cl_number& x, const cl_number_ring& R)
2731 @cindex @code{instanceof ()}
2732 Tests whether the given number is an element of the number ring R.
2733 @end table
2734
2735
2736 @chapter Modular integers
2737 @cindex modular integer
2738
2739 @section Modular integer rings
2740 @cindex ring
2741
2742 CLN implements modular integers, i.e. integers modulo a fixed integer N.
2743 The modulus is explicitly part of every modular integer. CLN doesn't
2744 allow you to (accidentally) mix elements of different modular rings,
2745 e.g. @code{(3 mod 4) + (2 mod 5)} will result in a runtime error.
2746 (Ideally one would imagine a generic data type @code{cl_MI(N)}, but C++
2747 doesn't have generic types. So one has to live with runtime checks.)
2748
2749 The class of modular integer rings is
2750
2751 @example
2752                          Ring
2753                        cl_ring
2754                      <cln/ring.h>
2755                           |
2756                           |
2757                  Modular integer ring
2758                     cl_modint_ring
2759                   <cln/modinteger.h>
2760 @end example
2761 @cindex @code{cl_modint_ring}
2762
2763 and the class of all modular integers (elements of modular integer rings) is
2764
2765 @example
2766                     Modular integer
2767                          cl_MI
2768                    <cln/modinteger.h>
2769 @end example
2770
2771 Modular integer rings are constructed using the function
2772
2773 @table @code
2774 @item cl_modint_ring find_modint_ring (const cl_I& N)
2775 @cindex @code{find_modint_ring ()}
2776 This function returns the modular ring @samp{Z/NZ}. It takes care
2777 of finding out about special cases of @code{N}, like powers of two
2778 and odd numbers for which Montgomery multiplication will be a win,
2779 @cindex Montgomery multiplication
2780 and precomputes any necessary auxiliary data for computing modulo @code{N}.
2781 There is a cache table of rings, indexed by @code{N} (or, more precisely,
2782 by @code{abs(N)}). This ensures that the precomputation costs are reduced
2783 to a minimum.
2784 @end table
2785
2786 Modular integer rings can be compared for equality:
2787
2788 @table @code
2789 @item bool operator== (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2790 @cindex @code{operator == ()}
2791 @itemx bool operator!= (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2792 @cindex @code{operator != ()}
2793 These compare two modular integer rings for equality. Two different calls
2794 to @code{find_modint_ring} with the same argument necessarily return the
2795 same ring because it is memoized in the cache table.
2796 @end table
2797
2798 @section Functions on modular integers
2799
2800 Given a modular integer ring @code{R}, the following members can be used.
2801
2802 @table @code
2803 @item cl_I R->modulus
2804 @cindex @code{modulus}
2805 This is the ring's modulus, normalized to be nonnegative: @code{abs(N)}.
2806
2807 @item cl_MI R->zero()
2808 @cindex @code{zero ()}
2809 This returns @code{0 mod N}.
2810
2811 @item cl_MI R->one()
2812 @cindex @code{one ()}
2813 This returns @code{1 mod N}.
2814
2815 @item cl_MI R->canonhom (const cl_I& x)
2816 @cindex @code{canonhom ()}
2817 This returns @code{x mod N}.
2818
2819 @item cl_I R->retract (const cl_MI& x)
2820 @cindex @code{retract ()}
2821 This is a partial inverse function to @code{R->canonhom}. It returns the
2822 standard representative (@code{>=0}, @code{<N}) of @code{x}.
2823
2824 @item cl_MI R->random(random_state& randomstate)
2825 @itemx cl_MI R->random()
2826 @cindex @code{random ()}
2827 This returns a random integer modulo @code{N}.
2828 @end table
2829
2830 The following operations are defined on modular integers.
2831
2832 @table @code
2833 @item cl_modint_ring x.ring ()
2834 @cindex @code{ring ()}
2835 Returns the ring to which the modular integer @code{x} belongs.
2836
2837 @item cl_MI operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)
2838 @cindex @code{operator + ()}
2839 Returns the sum of two modular integers. One of the arguments may also
2840 be a plain integer.
2841
2842 @item cl_MI operator- (const cl_MI&, const cl_MI&)
2843 @cindex @code{operator - ()}
2844 Returns the difference of two modular integers. One of the arguments may also
2845 be a plain integer.
2846
2847 @item cl_MI operator- (const cl_MI&)
2848 Returns the negative of a modular integer.
2849
2850 @item cl_MI operator* (const cl_MI&, const cl_MI&)
2851 @cindex @code{operator * ()}
2852 Returns the product of two modular integers. One of the arguments may also
2853 be a plain integer.
2854
2855 @item cl_MI square (const cl_MI&)
2856 @cindex @code{square ()}
2857 Returns the square of a modular integer.
2858
2859 @item cl_MI recip (const cl_MI& x)
2860 @cindex @code{recip ()}
2861 Returns the reciprocal @code{x^-1} of a modular integer @code{x}. @code{x}
2862 must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2863
2864 @item cl_MI div (const cl_MI& x, const cl_MI& y)
2865 @cindex @code{div ()}
2866 Returns the quotient @code{x*y^-1} of two modular integers @code{x}, @code{y}.
2867 @code{y} must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2868
2869 @item cl_MI expt_pos (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2870 @cindex @code{expt_pos ()}
2871 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
2872
2873 @item cl_MI expt (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2874 @cindex @code{expt ()}
2875 Returns @code{x^y}. If @code{y} is negative, @code{x} must be coprime to the
2876 modulus, else an error message is issued.
2877
2878 @item cl_MI operator<< (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2879 @cindex @code{operator << ()}
2880 Returns @code{x*2^y}.
2881
2882 @item cl_MI operator>> (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2883 @cindex @code{operator >> ()}
2884 Returns @code{x*2^-y}. When @code{y} is positive, the modulus must be odd,
2885 or an error message is issued.
2886
2887 @item bool operator== (const cl_MI&, const cl_MI&)
2888 @cindex @code{operator == ()}
2889 @itemx bool operator!= (const cl_MI&, const cl_MI&)
2890 @cindex @code{operator != ()}
2891 Compares two modular integers, belonging to the same modular integer ring,
2892 for equality.
2893
2894 @item cl_boolean zerop (const cl_MI& x)
2895 @cindex @code{zerop ()}
2896 Returns true if @code{x} is @code{0 mod N}.
2897 @end table
2898
2899 The following output functions are defined (see also the chapter on
2900 input/output).
2901
2902 @table @code
2903 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2904 @cindex @code{fprint ()}
2905 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_MI& x)
2906 @cindex @code{operator << ()}
2907 Prints the modular integer @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2908 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2909 @end table
2910
2911
2912 @chapter Symbolic data types
2913 @cindex symbolic type
2914
2915 CLN implements two symbolic (non-numeric) data types: strings and symbols.
2916
2917 @section Strings
2918 @cindex string
2919 @cindex @code{cl_string}
2920
2921 The class
2922
2923 @example
2924                       String
2925                      cl_string
2926                    <cln/string.h>
2927 @end example
2928
2929 implements immutable strings.
2930
2931 Strings are constructed through the following constructors:
2932
2933 @table @code
2934 @item cl_string (const char * s)
2935 Returns an immutable copy of the (zero-terminated) C string @code{s}.
2936
2937 @item cl_string (const char * ptr, unsigned long len)
2938 Returns an immutable copy of the @code{len} characters at
2939 @code{ptr[0]}, @dots{}, @code{ptr[len-1]}. NUL characters are allowed.
2940 @end table
2941
2942 The following functions are available on strings:
2943
2944 @table @code
2945 @item operator =
2946 Assignment from @code{cl_string} and @code{const char *}.
2947
2948 @item s.length()
2949 @cindex @code{length ()}
2950 @itemx strlen(s)
2951 @cindex @code{strlen ()}
2952 Returns the length of the string @code{s}.
2953
2954 @item s[i]
2955 @cindex @code{operator [] ()}
2956 Returns the @code{i}th character of the string @code{s}.
2957 @code{i} must be in the range @code{0 <= i < s.length()}.
2958
2959 @item bool equal (const cl_string& s1, const cl_string& s2)
2960 @cindex @code{equal ()}
2961 Compares two strings for equality. One of the arguments may also be a
2962 plain @code{const char *}.
2963 @end table
2964
2965 @section Symbols
2966 @cindex symbol
2967 @cindex @code{cl_symbol}
2968
2969 Symbols are uniquified strings: all symbols with the same name are shared.
2970 This means that comparison of two symbols is fast (effectively just a pointer
2971 comparison), whereas comparison of two strings must in the worst case walk
2972 both strings until their end.
2973 Symbols are used, for example, as tags for properties, as names of variables
2974 in polynomial rings, etc.
2975
2976 Symbols are constructed through the following constructor:
2977
2978 @table @code
2979 @item cl_symbol (const cl_string& s)
2980 Looks up or creates a new symbol with a given name.
2981 @end table
2982
2983 The following operations are available on symbols:
2984
2985 @table @code
2986 @item cl_string (const cl_symbol& sym)
2987 Conversion to @code{cl_string}: Returns the string which names the symbol
2988 @code{sym}.
2989
2990 @item bool equal (const cl_symbol& sym1, const cl_symbol& sym2)
2991 @cindex @code{equal ()}
2992 Compares two symbols for equality. This is very fast.
2993 @end table
2994
2995
2996 @chapter Univariate polynomials
2997 @cindex polynomial
2998 @cindex univariate polynomial
2999
3000 @section Univariate polynomial rings
3001
3002 CLN implements univariate polynomials (polynomials in one variable) over an
3003 arbitrary ring. The indeterminate variable may be either unnamed (and will be
3004 printed according to @code{default_print_flags.univpoly_varname}, which
3005 defaults to @samp{x}) or carry a given name. The base ring and the
3006 indeterminate are explicitly part of every polynomial. CLN doesn't allow you to
3007 (accidentally) mix elements of different polynomial rings, e.g.
3008 @code{(a^2+1) * (b^3-1)} will result in a runtime error. (Ideally this should
3009 return a multivariate polynomial, but they are not yet implemented in CLN.)
3010
3011 The classes of univariate polynomial rings are
3012
3013 @example
3014                            Ring
3015                          cl_ring
3016                        <cln/ring.h>
3017                             |
3018                             |
3019                  Univariate polynomial ring
3020                       cl_univpoly_ring
3021                       <cln/univpoly.h>
3022                             |
3023            +----------------+-------------------+
3024            |                |                   |
3025  Complex polynomial ring    |    Modular integer polynomial ring
3026  cl_univpoly_complex_ring   |        cl_univpoly_modint_ring
3027  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3028                             |
3029            +----------------+
3030            |                |
3031    Real polynomial ring     |
3032    cl_univpoly_real_ring    |
3033    <cln/univpoly_real.h>    |
3034                             |
3035            +----------------+
3036            |                |
3037  Rational polynomial ring   |
3038  cl_univpoly_rational_ring  |
3039  <cln/univpoly_rational.h>  |
3040                             |
3041            +----------------+
3042            |
3043  Integer polynomial ring
3044  cl_univpoly_integer_ring
3045  <cln/univpoly_integer.h>
3046 @end example
3047
3048 and the corresponding classes of univariate polynomials are
3049
3050 @example
3051                    Univariate polynomial
3052                           cl_UP
3053                       <cln/univpoly.h>
3054                             |
3055            +----------------+-------------------+
3056            |                |                   |
3057    Complex polynomial       |      Modular integer polynomial
3058         cl_UP_N             |                cl_UP_MI
3059  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3060                             |
3061            +----------------+
3062            |                |
3063      Real polynomial        |
3064         cl_UP_R             |
3065   <cln/univpoly_real.h>     |
3066                             |
3067            +----------------+
3068            |                |
3069    Rational polynomial      |
3070         cl_UP_RA            |
3071  <cln/univpoly_rational.h>  |
3072                             |
3073            +----------------+
3074            |
3075    Integer polynomial
3076         cl_UP_I
3077  <cln/univpoly_integer.h>
3078 @end example
3079
3080 Univariate polynomial rings are constructed using the functions
3081
3082 @table @code
3083 @item cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R)
3084 @itemx cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R, const cl_symbol& varname)
3085 This function returns the polynomial ring @samp{R[X]}, unnamed or named.
3086 @code{R} may be an arbitrary ring. This function takes care of finding out
3087 about special cases of @code{R}, such as the rings of complex numbers,
3088 real numbers, rational numbers, integers, or modular integer rings.
3089 There is a cache table of rings, indexed by @code{R} and @code{varname}.
3090 This ensures that two calls of this function with the same arguments will
3091 return the same polynomial ring.
3092
3093 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R)
3094 @cindex @code{find_univpoly_ring ()}
3095 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R, const cl_symbol& varname)
3096 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R)
3097 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R, const cl_symbol& varname)
3098 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R)
3099 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R, const cl_symbol& varname)
3100 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R)
3101 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R, const cl_symbol& varname)
3102 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R)
3103 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R, const cl_symbol& varname)
3104 These functions are equivalent to the general @code{find_univpoly_ring},
3105 only the return type is more specific, according to the base ring's type.
3106 @end table
3107
3108 @section Functions on univariate polynomials
3109
3110 Given a univariate polynomial ring @code{R}, the following members can be used.
3111
3112 @table @code
3113 @item cl_ring R->basering()
3114 @cindex @code{basering ()}
3115 This returns the base ring, as passed to @samp{find_univpoly_ring}.
3116
3117 @item cl_UP R->zero()
3118 @cindex @code{zero ()}
3119 This returns @code{0 in R}, a polynomial of degree -1.
3120
3121 @item cl_UP R->one()
3122 @cindex @code{one ()}
3123 This returns @code{1 in R}, a polynomial of degree == 0.
3124
3125 @item cl_UP R->canonhom (const cl_I& x)
3126 @cindex @code{canonhom ()}
3127 This returns @code{x in R}, a polynomial of degree <= 0.
3128
3129 @item cl_UP R->monomial (const cl_ring_element& x, uintL e)
3130 @cindex @code{monomial ()}
3131 This returns a sparse polynomial: @code{x * X^e}, where @code{X} is the
3132 indeterminate.
3133
3134 @item cl_UP R->create (sintL degree)
3135 @cindex @code{create ()}
3136 Creates a new polynomial with a given degree. The zero polynomial has degree
3137 @code{-1}. After creating the polynomial, you should put in the coefficients,
3138 using the @code{set_coeff} member function, and then call the @code{finalize}
3139 member function.
3140 @end table
3141
3142 The following are the only destructive operations on univariate polynomials.
3143
3144 @table @code
3145 @item void set_coeff (cl_UP& x, uintL index, const cl_ring_element& y)
3146 @cindex @code{set_coeff ()}
3147 This changes the coefficient of @code{X^index} in @code{x} to be @code{y}.
3148 After changing a polynomial and before applying any "normal" operation on it,
3149 you should call its @code{finalize} member function.
3150
3151 @item void finalize (cl_UP& x)
3152 @cindex @code{finalize ()}
3153 This function marks the endpoint of destructive modifications of a polynomial.
3154 It normalizes the internal representation so that subsequent computations have
3155 less overhead. Doing normal computations on unnormalized polynomials may
3156 produce wrong results or crash the program.
3157 @end table
3158
3159 The following operations are defined on univariate polynomials.
3160
3161 @table @code
3162 @item cl_univpoly_ring x.ring ()
3163 @cindex @code{ring ()}
3164 Returns the ring to which the univariate polynomial @code{x} belongs.
3165
3166 @item cl_UP operator+ (const cl_UP&, const cl_UP&)
3167 @cindex @code{operator + ()}
3168 Returns the sum of two univariate polynomials.
3169
3170 @item cl_UP operator- (const cl_UP&, const cl_UP&)
3171 @cindex @code{operator - ()}
3172 Returns the difference of two univariate polynomials.
3173
3174 @item cl_UP operator- (const cl_UP&)
3175 Returns the negative of a univariate polynomial.
3176
3177 @item cl_UP operator* (const cl_UP&, const cl_UP&)
3178 @cindex @code{operator * ()}
3179 Returns the product of two univariate polynomials. One of the arguments may
3180 also be a plain integer or an element of the base ring.
3181
3182 @item cl_UP square (const cl_UP&)
3183 @cindex @code{square ()}
3184 Returns the square of a univariate polynomial.
3185
3186 @item cl_UP expt_pos (const cl_UP& x, const cl_I& y)
3187 @cindex @code{expt_pos ()}
3188 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3189
3190 @item bool operator== (const cl_UP&, const cl_UP&)
3191 @cindex @code{operator == ()}
3192 @itemx bool operator!= (const cl_UP&, const cl_UP&)
3193 @cindex @code{operator != ()}
3194 Compares two univariate polynomials, belonging to the same univariate
3195 polynomial ring, for equality.
3196
3197 @item cl_boolean zerop (const cl_UP& x)
3198 @cindex @code{zerop ()}
3199 Returns true if @code{x} is @code{0 in R}.
3200
3201 @item sintL degree (const cl_UP& x)
3202 @cindex @code{degree ()}
3203 Returns the degree of the polynomial. The zero polynomial has degree @code{-1}.
3204
3205 @item sintL ldegree (const cl_UP& x)
3206 @cindex @code{degree ()}
3207 Returns the low degree of the polynomial. This is the degree of the first
3208 non-vanishing polynomial coefficient. The zero polynomial has ldegree @code{-1}.
3209
3210 @item cl_ring_element coeff (const cl_UP& x, uintL index)
3211 @cindex @code{coeff ()}
3212 Returns the coefficient of @code{X^index} in the polynomial @code{x}.
3213
3214 @item cl_ring_element x (const cl_ring_element& y)
3215 @cindex @code{operator () ()}
3216 Evaluation: If @code{x} is a polynomial and @code{y} belongs to the base ring,
3217 then @samp{x(y)} returns the value of the substitution of @code{y} into
3218 @code{x}.
3219
3220 @item cl_UP deriv (const cl_UP& x)
3221 @cindex @code{deriv ()}
3222 Returns the derivative of the polynomial @code{x} with respect to the
3223 indeterminate @code{X}.
3224 @end table
3225
3226 The following output functions are defined (see also the chapter on
3227 input/output).
3228
3229 @table @code
3230 @item void fprint (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3231 @cindex @code{fprint ()}
3232 @itemx std::ostream& operator<< (std::ostream& stream, const cl_UP& x)
3233 @cindex @code{operator << ()}
3234 Prints the univariate polynomial @code{x} on the @code{stream}. The output may
3235 depend on the global printer settings in the variable
3236 @code{default_print_flags}.
3237 @end table
3238
3239 @section Special polynomials
3240
3241 The following functions return special polynomials.
3242
3243 @table @code
3244 @item cl_UP_I tschebychev (sintL n)
3245 @cindex @code{tschebychev ()}
3246 @cindex Chebyshev polynomial
3247 Returns the n-th Chebyshev polynomial (n >= 0).
3248
3249 @item cl_UP_I hermite (sintL n)
3250 @cindex @code{hermite ()}
3251 @cindex Hermite polynomial
3252 Returns the n-th Hermite polynomial (n >= 0).
3253
3254 @item cl_UP_RA legendre (sintL n)
3255 @cindex @code{legendre ()}
3256 @cindex Legende polynomial
3257 Returns the n-th Legendre polynomial (n >= 0).
3258
3259 @item cl_UP_I laguerre (sintL n)
3260 @cindex @code{laguerre ()}
3261 @cindex Laguerre polynomial
3262 Returns the n-th Laguerre polynomial (n >= 0).
3263 @end table
3264
3265 Information how to derive the differential equation satisfied by each
3266 of these polynomials from their definition can be found in the
3267 @code{doc/polynomial/} directory.
3268
3269
3270 @chapter Internals
3271
3272 @section Why C++ ?
3273 @cindex advocacy
3274
3275 Using C++ as an implementation language provides
3276
3277 @itemize @bullet
3278 @item
3279 Efficiency: It compiles to machine code.
3280
3281 @item
3282 @cindex portability
3283 Portability: It runs on all platforms supporting a C++ compiler. Because
3284 of the availability of GNU C++, this includes all currently used 32-bit and
3285 64-bit platforms, independently of the quality of the vendor's C++ compiler.
3286
3287 @item
3288 Type safety: The C++ compilers knows about the number types and complains if,
3289 for example, you try to assign a float to an integer variable. However,
3290 a drawback is that C++ doesn't know about generic types, hence a restriction
3291 like that @code{operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)} requires that both
3292 arguments belong to the same modular ring cannot be expressed as a compile-time
3293 information.
3294
3295 @item
3296 Algebraic syntax: The elementary operations @code{+}, @code{-}, @code{*},
3297 @code{=}, @code{==}, ... can be used in infix notation, which is more
3298 convenient than Lisp notation @samp{(+ x y)} or C notation @samp{add(x,y,&z)}.
3299 @end itemize
3300
3301 With these language features, there is no need for two separate languages,
3302 one for the implementation of the library and one in which the library's users
3303 can program. This means that a prototype implementation of an algorithm
3304 can be integrated into the library immediately after it has been tested and
3305 debugged. No need to rewrite it in a low-level language after having prototyped
3306 in a high-level language.
3307
3308
3309 @section Memory efficiency
3310
3311 In order to save memory allocations, CLN implements:
3312
3313 @itemize @bullet
3314 @item
3315 Object sharing: An operation like @code{x+0} returns @code{x} without copying
3316 it.
3317 @item
3318 @cindex garbage collection
3319 @cindex reference counting
3320 Garbage collection: A reference counting mechanism makes sure that any
3321 number object's storage is freed immediately when the last reference to the
3322 object is gone.
3323 @item
3324 @cindex immediate numbers
3325 Small integers are represented as immediate values instead of pointers
3326 to heap allocated storage. This means that integers @code{> -2^29},
3327 @code{< 2^29} don't consume heap memory, unless they were explicitly allocated
3328 on the heap.
3329 @end itemize
3330
3331
3332 @section Speed efficiency
3333
3334 Speed efficiency is obtained by the combination of the following tricks
3335 and algorithms:
3336
3337 @itemize @bullet
3338 @item
3339 Small integers, being represented as immediate values, don't require
3340 memory access, just a couple of instructions for each elementary operation.
3341 @item
3342 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
3343 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
3344 @item
3345 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
3346 routines from GNU GMP version 3.
3347 @item
3348 For large numbers, CLN uses, instead of the standard @code{O(N^2)}
3349 algorithm, the Karatsuba multiplication, which is an
3350 @iftex
3351 @tex
3352 $O(N^{1.6})$
3353 @end tex
3354 @end iftex
3355 @ifinfo
3356 @code{O(N^1.6)}
3357 @end ifinfo
3358 algorithm.
3359 @item
3360 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), CLN uses
3361 @iftex
3362 Sch{@"o}nhage-Strassen
3363 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
3364 @end iftex
3365 @ifinfo
3366 Schnhage-Strassen
3367 @cindex Schnhage-Strassen multiplication
3368 @end ifinfo
3369 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication 
3370 algorithm.
3371 @item
3372 These fast multiplication algorithms also give improvements in the speed
3373 of division and radix conversion.
3374 @end itemize
3375
3376
3377 @section Garbage collection
3378 @cindex garbage collection
3379
3380 All the number classes are reference count classes: They only contain a pointer
3381 to an object in the heap. Upon construction, assignment and destruction of
3382 number objects, only the objects' reference count are manipulated.
3383
3384 Memory occupied by number objects are automatically reclaimed as soon as
3385 their reference count drops to zero.
3386
3387 For number rings, another strategy is implemented: There is a cache of,
3388 for example, the modular integer rings. A modular integer ring is destroyed
3389 only if its reference count dropped to zero and the cache is about to be
3390 resized. The effect of this strategy is that recently used rings remain
3391 cached, whereas undue memory consumption through cached rings is avoided.
3392
3393
3394 @chapter Using the library
3395
3396 For the following discussion, we will assume that you have installed
3397 the CLN source in @code{$CLN_DIR} and built it in @code{$CLN_TARGETDIR}.
3398 For example, for me it's @code{CLN_DIR="$HOME/cln"} and
3399 @code{CLN_TARGETDIR="$HOME/cln/linuxelf"}. You might define these as
3400 environment variables, or directly substitute the appropriate values.
3401
3402
3403 @section Compiler options
3404 @cindex compiler options
3405
3406 Until you have installed CLN in a public place, the following options are
3407 needed:
3408
3409 When you compile CLN application code, add the flags
3410 @example
3411    -I$CLN_DIR/include -I$CLN_TARGETDIR/include
3412 @end example
3413 to the C++ compiler's command line (@code{make} variable CFLAGS or CXXFLAGS).
3414 When you link CLN application code to form an executable, add the flags
3415 @example
3416    $CLN_TARGETDIR/src/libcln.a
3417 @end example
3418 to the C/C++ compiler's command line (@code{make} variable LIBS).
3419
3420 If you did a @code{make install}, the include files are installed in a
3421 public directory (normally @code{/usr/local/include}), hence you don't
3422 need special flags for compiling. The library has been installed to a
3423 public directory as well (normally @code{/usr/local/lib}), hence when
3424 linking a CLN application it is sufficient to give the flag @code{-lcln}.
3425
3426 Since CLN version 1.1, there are two tools to make the creation of
3427 software packages that use CLN easier:
3428 @itemize @bullet
3429 @item
3430 @cindex @code{cln-config}
3431 @code{cln-config} is a shell script that you can use to determine the
3432 compiler and linker command line options required to compile and link a
3433 program with CLN.  Start it with @code{--help} to learn about its options
3434 or consult the manpage that comes with it.
3435 @item
3436 @cindex @code{AC_PATH_CLN}
3437 @code{AC_PATH_CLN} is for packages configured using GNU automake.
3438 The synopsis is:
3439 @example
3440 @code{AC_PATH_CLN([@var{MIN-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])}
3441 @end example
3442 This macro determines the location of CLN using @code{cln-config}, which
3443 is either found in the user's path, or from the environment variable
3444 @code{CLN_CONFIG}.  It tests the installed libraries to make sure that
3445 their version is not earlier than @var{MIN-VERSION} (a default version
3446 will be used if not specified). If the required version was found, sets
3447 the @env{CLN_CPPFLAGS} and the @env{CLN_LIBS} variables. This
3448 macro is in the file @file{cln.m4} which is installed in
3449 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
3450 different @samp{--prefix} than CLN, you will either have to manually
3451 move @file{cln.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
3452 aclocal the @samp{-I} option when running it. Here is a possible example
3453 to be included in your package's @file{configure.ac}:
3454 @example
3455 AC_PATH_CLN(1.1.0, [
3456   LIBS="$LIBS $CLN_LIBS"
3457   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $CLN_CPPFLAGS"
3458 ], AC_MSG_ERROR([No suitable installed version of CLN could be found.]))
3459 @end example
3460 @end itemize
3461
3462
3463 @section Compatibility to old CLN versions
3464 @cindex namespace
3465 @cindex compatibility
3466
3467 As of CLN version 1.1 all non-macro identifiers were hidden in namespace
3468 @code{cln} in order to avoid potential name clashes with other C++
3469 libraries. If you have an old application, you will have to manually
3470 port it to the new scheme. The following principles will help during
3471 the transition:
3472 @itemize @bullet
3473 @item
3474 All headers are now in a separate subdirectory. Instead of including
3475 @code{cl_}@var{something}@code{.h}, include
3476 @code{cln/}@var{something}@code{.h} now.
3477 @item
3478 All public identifiers (typenames and functions) have lost their
3479 @code{cl_} prefix.  Exceptions are all the typenames of number types,
3480 (cl_N, cl_I, cl_MI, @dots{}), rings, symbolic types (cl_string,
3481 cl_symbol) and polynomials (cl_UP_@var{type}).  (This is because their
3482 names would not be mnemonic enough once the namespace @code{cln} is
3483 imported. Even in a namespace we favor @code{cl_N} over @code{N}.)
3484 @item
3485 All public @emph{functions} that had by a @code{cl_} in their name still
3486 carry that @code{cl_} if it is intrinsic part of a typename (as in
3487 @code{cl_I_to_int ()}).
3488 @end itemize
3489 When developing other libraries, please keep in mind not to import the
3490 namespace @code{cln} in one of your public header files by saying
3491 @code{using namespace cln;}. This would propagate to other applications
3492 and can cause name clashes there.
3493
3494
3495 @section Include files
3496 @cindex include files
3497 @cindex header files
3498
3499 Here is a summary of the include files and their contents.
3500
3501 @table @code
3502 @item <cln/object.h>
3503 General definitions, reference counting, garbage collection.
3504 @item <cln/number.h>
3505 The class cl_number.
3506 @item <cln/complex.h>
3507 Functions for class cl_N, the complex numbers.
3508 @item <cln/real.h>
3509 Functions for class cl_R, the real numbers.
3510 @item <cln/float.h>
3511 Functions for class cl_F, the floats.
3512 @item <cln/sfloat.h>
3513 Functions for class cl_SF, the short-floats.
3514 @item <cln/ffloat.h>
3515 Functions for class cl_FF, the single-floats.
3516 @item <cln/dfloat.h>
3517 Functions for class cl_DF, the double-floats.
3518 @item <cln/lfloat.h>
3519 Functions for class cl_LF, the long-floats.
3520 @item <cln/rational.h>
3521 Functions for class cl_RA, the rational numbers.
3522 @item <cln/integer.h>
3523 Functions for class cl_I, the integers.
3524 @item <cln/io.h>
3525 Input/Output.
3526 @item <cln/complex_io.h>
3527 Input/Output for class cl_N, the complex numbers.
3528 @item <cln/real_io.h>
3529 Input/Output for class cl_R, the real numbers.
3530 @item <cln/float_io.h>
3531 Input/Output for class cl_F, the floats.
3532 @item <cln/sfloat_io.h>
3533 Input/Output for class cl_SF, the short-floats.
3534 @item <cln/ffloat_io.h>
3535 Input/Output for class cl_FF, the single-floats.
3536 @item <cln/dfloat_io.h>
3537 Input/Output for class cl_DF, the double-floats.
3538 @item <cln/lfloat_io.h>
3539 Input/Output for class cl_LF, the long-floats.
3540 @item <cln/rational_io.h>
3541 Input/Output for class cl_RA, the rational numbers.
3542 @item <cln/integer_io.h>
3543 Input/Output for class cl_I, the integers.
3544 @item <cln/input.h>
3545 Flags for customizing input operations.
3546 @item <cln/output.h>
3547 Flags for customizing output operations.
3548 @item <cln/malloc.h>
3549 @code{malloc_hook}, @code{free_hook}.
3550 @item <cln/abort.h>
3551 @code{cl_abort}.
3552 @item <cln/condition.h>
3553 Conditions/exceptions.
3554 @item <cln/string.h>
3555 Strings.
3556 @item <cln/symbol.h>
3557 Symbols.
3558 @item <cln/proplist.h>
3559 Property lists.
3560 @item <cln/ring.h>
3561 General rings.
3562 @item <cln/null_ring.h>
3563 The null ring.
3564 @item <cln/complex_ring.h>
3565 The ring of complex numbers.
3566 @item <cln/real_ring.h>
3567 The ring of real numbers.
3568 @item <cln/rational_ring.h>
3569 The ring of rational numbers.
3570 @item <cln/integer_ring.h>
3571 The ring of integers.
3572 @item <cln/numtheory.h>
3573 Number threory functions.
3574 @item <cln/modinteger.h>
3575 Modular integers.
3576 @item <cln/V.h>
3577 Vectors.
3578 @item <cln/GV.h>
3579 General vectors.
3580 @item <cln/GV_number.h>
3581 General vectors over cl_number.
3582 @item <cln/GV_complex.h>
3583 General vectors over cl_N.
3584 @item <cln/GV_real.h>
3585 General vectors over cl_R.
3586 @item <cln/GV_rational.h>
3587 General vectors over cl_RA.
3588 @item <cln/GV_integer.h>
3589 General vectors over cl_I.
3590 @item <cln/GV_modinteger.h>
3591 General vectors of modular integers.
3592 @item <cln/SV.h>
3593 Simple vectors.
3594 @item <cln/SV_number.h>
3595 Simple vectors over cl_number.
3596 @item <cln/SV_complex.h>
3597 Simple vectors over cl_N.
3598 @item <cln/SV_real.h>
3599 Simple vectors over cl_R.
3600 @item <cln/SV_rational.h>
3601 Simple vectors over cl_RA.
3602 @item <cln/SV_integer.h>
3603 Simple vectors over cl_I.
3604 @item <cln/SV_ringelt.h>
3605 Simple vectors of general ring elements.
3606 @item <cln/univpoly.h>
3607 Univariate polynomials.
3608 @item <cln/univpoly_integer.h>
3609 Univariate polynomials over the integers.
3610 @item <cln/univpoly_rational.h>
3611 Univariate polynomials over the rational numbers.
3612 @item <cln/univpoly_real.h>
3613 Univariate polynomials over the real numbers.
3614 @item <cln/univpoly_complex.h>
3615 Univariate polynomials over the complex numbers.
3616 @item <cln/univpoly_modint.h>
3617 Univariate polynomials over modular integer rings.
3618 @item <cln/timing.h>
3619 Timing facilities.
3620 @item <cln/cln.h>
3621 Includes all of the above.
3622 @end table
3623
3624
3625 @section An Example
3626
3627 A function which computes the nth Fibonacci number can be written as follows.
3628 @cindex Fibonacci number
3629
3630 @example
3631 #include <cln/integer.h>
3632 #include <cln/real.h>
3633 using namespace cln;
3634
3635 // Returns F_n, computed as the nearest integer to
3636 // ((1+sqrt(5))/2)^n/sqrt(5). Assume n>=0.
3637 const cl_I fibonacci (int n)
3638 @{
3639         // Need a precision of ((1+sqrt(5))/2)^-n.
3640         float_format_t prec = float_format((int)(0.208987641*n+5));
3641         cl_R sqrt5 = sqrt(cl_float(5,prec));
3642         cl_R phi = (1+sqrt5)/2;
3643         return round1( expt(phi,n)/sqrt5 );
3644 @}
3645 @end example
3646
3647 Let's explain what is going on in detail.
3648
3649 The include file @code{<cln/integer.h>} is necessary because the type
3650 @code{cl_I} is used in the function, and the include file @code{<cln/real.h>}
3651 is needed for the type @code{cl_R} and the floating point number functions.
3652 The order of the include files does not matter.  In order not to write
3653 out @code{cln::}@var{foo} in this simple example we can safely import
3654 the whole namespace @code{cln}.
3655
3656 Then comes the function declaration. The argument is an @code{int}, the
3657 result an integer. The return type is defined as @samp{const cl_I}, not
3658 simply @samp{cl_I}, because that allows the compiler to detect typos like
3659 @samp{fibonacci(n) = 100}. It would be possible to declare the return
3660 type as @code{const cl_R} (real number) or even @code{const cl_N} (complex
3661 number). We use the most specialized possible return type because functions
3662 which call @samp{fibonacci} will be able to profit from the compiler's type
3663 analysis: Adding two integers is slightly more efficient than adding the
3664 same objects declared as complex numbers, because it needs less type
3665 dispatch. Also, when linking to CLN as a non-shared library, this minimizes
3666 the size of the resulting executable program.
3667
3668 The result will be computed as expt(phi,n)/sqrt(5), rounded to the nearest
3669 integer. In order to get a correct result, the absolute error should be less
3670 than 1/2, i.e. the relative error should be less than sqrt(5)/(2*expt(phi,n)).
3671 To this end, the first line computes a floating point precision for sqrt(5)
3672 and phi.
3673
3674 Then sqrt(5) is computed by first converting the integer 5 to a floating point
3675 number and than taking the square root. The converse, first taking the square
3676 root of 5, and then converting to the desired precision, would not work in
3677 CLN: The square root would be computed to a default precision (normally
3678 single-float precision), and the following conversion could not help about
3679 the lacking accuracy. This is because CLN is not a symbolic computer algebra
3680 system and does not represent sqrt(5) in a non-numeric way.
3681
3682 The type @code{cl_R} for sqrt5 and, in the following line, phi is the only
3683 possible choice. You cannot write @code{cl_F} because the C++ compiler can
3684 only infer that @code{cl_float(5,prec)} is a real number. You cannot write
3685 @code{cl_N} because a @samp{round1} does not exist for general complex
3686 numbers.
3687
3688 When the function returns, all the local variables in the function are
3689 automatically reclaimed (garbage collected). Only the result survives and
3690 gets passed to the caller.
3691
3692 The file @code{fibonacci.cc} in the subdirectory @code{examples}
3693 contains this implementation together with an even faster algorithm.
3694
3695 @section Debugging support
3696 @cindex debugging
3697
3698 When debugging a CLN application with GNU @code{gdb}, two facilities are
3699 available from the library:
3700
3701 @itemize @bullet
3702 @item The library does type checks, range checks, consistency checks at
3703 many places. When one of these fails, the function @code{cl_abort()} is
3704 called. Its default implementation is to perform an @code{exit(1)}, so
3705 you won't have a core dump. But for debugging, it is best to set a
3706 breakpoint at this function:
3707 @example
3708 (gdb) break cl_abort
3709 @end example
3710 When this breakpoint is hit, look at the stack's backtrace:
3711 @example
3712 (gdb) where
3713 @end example
3714
3715 @item The debugger's normal @code{print} command doesn't know about
3716 CLN's types and therefore prints mostly useless hexadecimal addresses.
3717 CLN offers a function @code{cl_print}, callable from the debugger,
3718 for printing number objects. In order to get this function, you have
3719 to define the macro @samp{CL_DEBUG} and then include all the header files
3720 for which you want @code{cl_print} debugging support. For example:
3721 @cindex @code{CL_DEBUG}
3722 @example
3723 #define CL_DEBUG
3724 #include <cln/string.h>
3725 @end example
3726 Now, if you have in your program a variable @code{cl_string s}, and
3727 inspect it under @code{gdb}, the output may look like this:
3728 @example
3729 (gdb) print s
3730 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3731   word = 134568800@}@}, @}
3732 (gdb) call cl_print(s)
3733 (cl_string) ""
3734 $8 = 134568800
3735 @end example
3736 Note that the output of @code{cl_print} goes to the program's error output,
3737 not to gdb's standard output.
3738
3739 Note, however, that the above facility does not work with all CLN types,
3740 only with number objects and similar. Therefore CLN offers a member function
3741 @code{debug_print()} on all CLN types. The same macro @samp{CL_DEBUG}
3742 is needed for this member function to be implemented. Under @code{gdb},
3743 you call it like this:
3744 @cindex @code{debug_print ()}
3745 @example
3746 (gdb) print s
3747 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3748   word = 134568800@}@}, @}
3749 (gdb) call s.debug_print()
3750 (cl_string) ""
3751 (gdb) define cprint
3752 >call ($1).debug_print()
3753 >end
3754 (gdb) cprint s
3755 (cl_string) ""
3756 @end example
3757 Unfortunately, this feature does not seem to work under all circumstances.
3758 @end itemize
3759
3760
3761 @chapter Customizing
3762 @cindex customizing
3763
3764 @section Error handling
3765
3766 When a fatal error occurs, an error message is output to the standard error
3767 output stream, and the function @code{cl_abort} is called. The default
3768 version of this function (provided in the library) terminates the application.
3769 To catch such a fatal error, you need to define the function @code{cl_abort}
3770 yourself, with the prototype
3771 @example
3772 #include <cln/abort.h>
3773 void cl_abort (void);
3774 @end example
3775 @cindex @code{cl_abort ()}
3776 This function must not return control to its caller.
3777
3778
3779 @section Floating-point underflow
3780 @cindex underflow
3781
3782 Floating point underflow denotes the situation when a floating-point number
3783 is to be created which is so close to @code{0} that its exponent is too
3784 low to be represented internally. By default, this causes a fatal error.
3785 If you set the global variable
3786 @example
3787 cl_boolean cl_inhibit_floating_point_underflow
3788 @end example
3789 to @code{cl_true}, the error will be inhibited, and a floating-point zero
3790 will be generated instead.  The default value of 
3791 @code{cl_inhibit_floating_point_underflow} is @code{cl_false}.
3792
3793
3794 @section Customizing I/O
3795
3796 The output of the function @code{fprint} may be customized by changing the
3797 value of the global variable @code{default_print_flags}.
3798 @cindex @code{default_print_flags}
3799
3800
3801 @section Customizing the memory allocator
3802
3803 Every memory allocation of CLN is done through the function pointer
3804 @code{malloc_hook}. Freeing of this memory is done through the function
3805 pointer @code{free_hook}. The default versions of these functions,
3806 provided in the library, call @code{malloc} and @code{free} and check
3807 the @code{malloc} result against @code{NULL}.
3808 If you want to provide another memory allocator, you need to define
3809 the variables @code{malloc_hook} and @code{free_hook} yourself,
3810 like this:
3811 @example
3812 #include <cln/malloc.h>
3813 namespace cln @{
3814         void* (*malloc_hook) (size_t size) = @dots{};
3815         void (*free_hook) (void* ptr)      = @dots{};
3816 @}
3817 @end example
3818 @cindex @code{malloc_hook ()}
3819 @cindex @code{free_hook ()}
3820 The @code{cl_malloc_hook} function must not return a @code{NULL} pointer.
3821
3822 It is not possible to change the memory allocator at runtime, because
3823 it is already called at program startup by the constructors of some
3824 global variables.
3825
3826
3827
3828
3829 @c Indices
3830
3831 @unnumbered Index
3832
3833 @printindex my
3834
3835
3836 @bye