]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Happy new year!
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2008 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author @uref{http://www.ginac.de}
51
52 @page
53 @vskip 0pt plus 1filll
54 Copyright @copyright{} 1999-2008 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
55 @sp 2
56 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
57 this manual provided the copyright notice and this permission notice
58 are preserved on all copies.
59
60 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
61 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
62 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
63 notice identical to this one.
64 @end titlepage
65
66 @page
67 @contents
68
69 @page
70
71
72 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
73 @c    node-name, next, previous, up
74 @top GiNaC
75
76 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
77 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
78
79 @menu
80 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
81 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
82 * Installation::                 How to install the package.
83 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
84 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
85 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
86 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
87 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
88 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
89 * Bibliography::
90 * Concept Index::
91 @end menu
92
93
94 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
95 @c    node-name, next, previous, up
96 @chapter Introduction
97 @cindex history of GiNaC
98
99 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
100 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
101 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
102 learning math and solving particular problems they lack modern
103 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
104 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
105 well established and standardized computer language (C++) by some
106 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
107 that embed symbolic manipulations together with more established areas
108 of computer science (like computation-intense numeric applications,
109 graphical interfaces, etc.) under one roof.
110
111 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
112 still a very active field of research, namely the calculation of higher
113 order corrections to elementary particle interactions.  There,
114 theoretical physicists are interested in matching present day theories
115 against experiments taking place at particle accelerators.  The
116 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
117 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
118 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
119 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
120 are in no way restricted to theoretical physics.
121
122 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
123 already has some background in C++ programming.  However, since a
124 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
125 the development, the actual documentation is inside the sources in the
126 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
127 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
128 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
129 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
130 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
131 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
132 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
133 the near future.
134
135 @section License
136 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
137 language is Copyright @copyright{} 1999-2008 Johannes Gutenberg
138 University Mainz, Germany.
139
140 This program is free software; you can redistribute it and/or
141 modify it under the terms of the GNU General Public License as
142 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
143 License, or (at your option) any later version.
144
145 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
146 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
147 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
148 General Public License for more details.
149
150 You should have received a copy of the GNU General Public License
151 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
152 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
153 MA 02110-1301, USA.
154
155
156 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
157 @c    node-name, next, previous, up
158 @chapter A Tour of GiNaC
159
160 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
161 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
162 leaves many open questions.
163
164 @menu
165 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
166 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
167 @end menu
168
169
170 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
171 @c    node-name, next, previous, up
172 @section How to use it from within C++
173
174 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
175 language does not try to define a language of its own as conventional
176 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
177 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
178 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
179
180 @example
181 #include <iostream>
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace std;
184 using namespace GiNaC;
185
186 int main()
187 @{
188     symbol x("x"), y("y");
189     ex poly;
190
191     for (int i=0; i<3; ++i)
192         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
193
194     cout << poly << endl;
195     return 0;
196 @}
197 @end example
198
199 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
200 and run it like this:
201
202 @example
203 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
204 $ ./hello
205 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
206 @end example
207
208 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
209 package that uses GiNaC.)
210
211 @cindex Hermite polynomial
212 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
213 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
214
215 @example
216 #include <iostream>
217 #include <ginac/ginac.h>
218 using namespace std;
219 using namespace GiNaC;
220
221 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
222 @{
223     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
224     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
225     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
226 @}
227
228 int main()
229 @{
230     symbol z("z");
231
232     for (int i=0; i<6; ++i)
233         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
234
235     return 0;
236 @}
237 @end example
238
239 When run, this will type out
240
241 @example
242 H_0(z) == 1
243 H_1(z) == 2*z
244 H_2(z) == 4*z^2-2
245 H_3(z) == -12*z+8*z^3
246 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
247 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
248 @end example
249
250 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
251 for production purposes.
252
253 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
254 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
255 convenient window into GiNaC's capabilities.
256
257
258 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
259 @c    node-name, next, previous, up
260 @section What it can do for you
261
262 @cindex @command{ginsh}
263 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
264 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
265 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
266 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
267 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
268 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
269 @code{==} compares.
270
271 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
272 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
273 integers:
274
275 @example
276 > x=3^150;
277 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
278 > y=3^149;
279 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
280 > x/y;
281 3
282 > y/x;
283 1/3
284 @end example
285
286 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
287 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
288 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
289 can be expanded:
290
291 @example
292 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
293 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
294 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
295 10-5*3^(3/5)
296 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
297 0.33408977534118624228
298 @end example
299
300 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
301 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
302 arbitrary predefined accuracy:
303
304 @example
305 > evalf(1/7);
306 0.14285714285714285714
307 > Digits=150;
308 150
309 > evalf(1/7);
310 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
311 5714285714285714285714285714285714285
312 @end example
313
314 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
315 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
316 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
317 numeric expressions (as an inexact number):
318
319 @example
320 > a=Pi^2+x;
321 x+Pi^2
322 > evalf(a);
323 9.869604401089358619+x
324 > x=2;
325 2
326 > evalf(a);
327 11.869604401089358619
328 @end example
329
330 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
331 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
332 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
333
334 @example
335 > cos(42*Pi);
336 1
337 > cos(acos(x));
338 x
339 > acos(cos(x));
340 acos(cos(x))
341 @end example
342
343 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
344 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
345
346 Linear equation systems can be solved along with basic linear
347 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
348 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
349 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
350
351 @example
352 > lsolve(a+x*y==z,x);
353 y^(-1)*(z-a);
354 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
355 @{x==19/8,y==-1/40@}
356 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
357 [[1,3],[-3,2]]
358 > determinant(M);
359 11
360 > charpoly(M,lambda);
361 lambda^2-3*lambda+11
362 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
363 [[1,1],[2,-1]]
364 > A+2*M;
365 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
366 > evalm(%);
367 [[3,7],[-4,3]]
368 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
369 > evalm(B^(2^12345));
370 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
371 @end example
372
373 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
374 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
375 polynomials):
376
377 @example
378 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
379 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
380 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
381 4*x*y-y^2+x^2
382 > expand(a*b);
383 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
384 > collect(a+b,x);
385 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
386 > collect(a+b,y);
387 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
388 > normal(a/b);
389 3*y^2+x^2
390 @end example
391
392 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
393 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
394 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
395 order):
396
397 @cindex Zeta function
398 @example
399 > diff(tan(x),x);
400 tan(x)^2+1
401 > series(sin(x),x==0,4);
402 x-1/6*x^3+Order(x^4)
403 > series(1/tan(x),x==0,4);
404 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
405 > series(tgamma(x),x==0,3);
406 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
407 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
408 > evalf(%);
409 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
410 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
411 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
412 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
413 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
414 @end example
415
416 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
417 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
418
419 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
420 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
421
422 @cindex fsolve
423 @example
424 > Digits=50:
425 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
426 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
427 > f=exp(sin(x))-x:
428 > X=fsolve(f,x,-10,10);
429 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
430 > subs(f,x==X);
431 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
432 @end example
433
434 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
435 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
436 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
437 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
438 point values.
439
440 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
441 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
442 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
443 metric system is now easy:
444
445 @example
446 > in=.0254*m;
447 0.0254*m
448 > lb=.45359237*kg;
449 0.45359237*kg
450 > 200*lb/in^2;
451 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
452 @end example
453
454
455 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
456 @c    node-name, next, previous, up
457 @chapter Installation
458
459 @cindex CLN
460 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
461 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
462 installation.
463
464 @menu
465 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
466 * Configuration::                How to configure GiNaC.
467 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
468 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
469 @end menu
470
471
472 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
473 @c    node-name, next, previous, up
474 @section Prerequisites
475
476 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
477 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
478 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
479 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
480 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
481 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
482 required for the configuration, it can be downloaded from
483 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
484 Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic Concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The Class Hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting Expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1159 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163
1164 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1165 @c    node-name, next, previous, up
1166 @section Numbers
1167 @cindex @code{numeric} (class)
1168
1169 @cindex GMP
1170 @cindex CLN
1171 @cindex rational
1172 @cindex fraction
1173 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1174 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1175 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1176 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1177 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1178 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1179 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1180 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1181 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1182 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1183 several useful things: First, it introduces the complex number field
1184 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1185 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1186 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1187 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1188 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1189 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1190 calculation of some useful constants.
1191
1192 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1193 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1194 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1195 integers, construction from C-float and construction from a string:
1196
1197 @example
1198 #include <iostream>
1199 #include <ginac/ginac.h>
1200 using namespace GiNaC;
1201
1202 int main()
1203 @{
1204     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1205     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1206     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1207     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1208     // Trott's constant in scientific notation:
1209     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1210     
1211     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1212     ...
1213 @end example
1214
1215 @cindex @code{I}
1216 @cindex complex numbers
1217 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1218 name @code{I}:
1219
1220 @example
1221     ...
1222     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1223     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1224 @}
1225 @end example
1226
1227 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1228 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1229 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1230 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1231 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1232 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1233 also.
1234
1235 @cindex @code{Digits}
1236 @cindex accuracy
1237 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1238 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1239 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1240 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1241 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1242 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1243 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1244 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1245 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1246 digits:
1247
1248 @example
1249 #include <iostream>
1250 #include <ginac/ginac.h>
1251 using namespace std;
1252 using namespace GiNaC;
1253
1254 void foo()
1255 @{
1256     numeric three(3.0), one(1.0);
1257     numeric x = one/three;
1258
1259     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1260     cout << x << endl;
1261     cout << Pi.evalf() << endl;
1262 @}
1263
1264 int main()
1265 @{
1266     foo();
1267     Digits = 60;
1268     foo();
1269     return 0;
1270 @}
1271 @end example
1272
1273 The above example prints the following output to screen:
1274
1275 @example
1276 in 17 digits:
1277 0.33333333333333333334
1278 3.1415926535897932385
1279 in 60 digits:
1280 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1281 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1282 @end example
1283
1284 @cindex rounding
1285 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1286 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1287 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1288 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1289 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1290 architectures with different word size, the above output might even
1291 differ with regard to actually computed digits.
1292
1293 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1294 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1295 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1296
1297 @subsection Tests on numbers
1298
1299 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1300 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1301 kind of information from them like asking whether that number is
1302 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1303 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1304 certain CLN functions.)
1305
1306 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1307 some multiple of its denominator and test what comes out:
1308
1309 @example
1310 #include <iostream>
1311 #include <ginac/ginac.h>
1312 using namespace std;
1313 using namespace GiNaC;
1314
1315 // some very important constants:
1316 const numeric twentyone(21);
1317 const numeric ten(10);
1318 const numeric five(5);
1319
1320 int main()
1321 @{
1322     numeric answer = twentyone;
1323
1324     answer /= five;
1325     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1326     answer *= ten;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1328 @}
1329 @end example
1330
1331 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1332 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1333 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1334 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1335 the result is automatically converted to a pure integer again.
1336 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1337 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1338 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1339 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1340 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1341 can be applied is listed in the following table.
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{.is_zero()}
1347 @tab @dots{}equal to zero
1348 @item @code{.is_positive()}
1349 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1350 @item @code{.is_integer()}
1351 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1352 @item @code{.is_pos_integer()}
1353 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1354 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1356 @item @code{.is_even()}
1357 @tab @dots{}an even integer
1358 @item @code{.is_odd()}
1359 @tab @dots{}an odd integer
1360 @item @code{.is_prime()}
1361 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1362 @item @code{.is_rational()}
1363 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1364 @item @code{.is_real()}
1365 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1366 @item @code{.is_cinteger()}
1367 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1368 @item @code{.is_crational()}
1369 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1370 @end multitable
1371 @end cartouche
1372
1373 @subsection Numeric functions
1374
1375 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1376 evaluated immediately:
1377
1378 @cartouche
1379 @multitable @columnfractions .30 .70
1380 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1381 @item @code{inverse(z)}
1382 @tab returns @math{1/z}
1383 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1384 @item @code{pow(a, b)}
1385 @tab exponentiation @math{a^b}
1386 @item @code{abs(z)}
1387 @tab absolute value
1388 @item @code{real(z)}
1389 @tab real part
1390 @cindex @code{real()}
1391 @item @code{imag(z)}
1392 @tab imaginary part
1393 @cindex @code{imag()}
1394 @item @code{csgn(z)}
1395 @tab complex sign (returns an @code{int})
1396 @item @code{numer(z)}
1397 @tab numerator of rational or complex rational number
1398 @item @code{denom(z)}
1399 @tab denominator of rational or complex rational number
1400 @item @code{sqrt(z)}
1401 @tab square root
1402 @item @code{isqrt(n)}
1403 @tab integer square root
1404 @cindex @code{isqrt()}
1405 @item @code{sin(z)}
1406 @tab sine
1407 @item @code{cos(z)}
1408 @tab cosine
1409 @item @code{tan(z)}
1410 @tab tangent
1411 @item @code{asin(z)}
1412 @tab inverse sine
1413 @item @code{acos(z)}
1414 @tab inverse cosine
1415 @item @code{atan(z)}
1416 @tab inverse tangent
1417 @item @code{atan(y, x)}
1418 @tab inverse tangent with two arguments
1419 @item @code{sinh(z)}
1420 @tab hyperbolic sine
1421 @item @code{cosh(z)}
1422 @tab hyperbolic cosine
1423 @item @code{tanh(z)}
1424 @tab hyperbolic tangent
1425 @item @code{asinh(z)}
1426 @tab inverse hyperbolic sine
1427 @item @code{acosh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic cosine
1429 @item @code{atanh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic tangent
1431 @item @code{exp(z)}
1432 @tab exponential function
1433 @item @code{log(z)}
1434 @tab natural logarithm
1435 @item @code{Li2(z)}
1436 @tab dilogarithm
1437 @item @code{zeta(z)}
1438 @tab Riemann's zeta function
1439 @item @code{tgamma(z)}
1440 @tab gamma function
1441 @item @code{lgamma(z)}
1442 @tab logarithm of gamma function
1443 @item @code{psi(z)}
1444 @tab psi (digamma) function
1445 @item @code{psi(n, z)}
1446 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1447 @item @code{factorial(n)}
1448 @tab factorial function @math{n!}
1449 @item @code{doublefactorial(n)}
1450 @tab double factorial function @math{n!!}
1451 @cindex @code{doublefactorial()}
1452 @item @code{binomial(n, k)}
1453 @tab binomial coefficients
1454 @item @code{bernoulli(n)}
1455 @tab Bernoulli numbers
1456 @cindex @code{bernoulli()}
1457 @item @code{fibonacci(n)}
1458 @tab Fibonacci numbers
1459 @cindex @code{fibonacci()}
1460 @item @code{mod(a, b)}
1461 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1462 @cindex @code{mod()}
1463 @item @code{smod(a, b)}
1464 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1465 @cindex @code{smod()}
1466 @item @code{irem(a, b)}
1467 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1468 @cindex @code{irem()}
1469 @item @code{irem(a, b, q)}
1470 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1471 @item @code{iquo(a, b)}
1472 @tab integer quotient
1473 @cindex @code{iquo()}
1474 @item @code{iquo(a, b, r)}
1475 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1476 @item @code{gcd(a, b)}
1477 @tab greatest common divisor
1478 @item @code{lcm(a, b)}
1479 @tab least common multiple
1480 @end multitable
1481 @end cartouche
1482
1483 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1484 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1485 as polynomial algorithms.
1486
1487 @subsection Converting numbers
1488
1489 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1490 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1491 class provides a couple of methods for this purpose:
1492
1493 @cindex @code{to_int()}
1494 @cindex @code{to_long()}
1495 @cindex @code{to_double()}
1496 @cindex @code{to_cl_N()}
1497 @example
1498 int numeric::to_int() const;
1499 long numeric::to_long() const;
1500 double numeric::to_double() const;
1501 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1502 @end example
1503
1504 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1505 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1506 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1507 rational number will return a floating-point approximation. Both
1508 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1509 part of complex numbers.
1510
1511
1512 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1513 @c    node-name, next, previous, up
1514 @section Constants
1515 @cindex @code{constant} (class)
1516
1517 @cindex @code{Pi}
1518 @cindex @code{Catalan}
1519 @cindex @code{Euler}
1520 @cindex @code{evalf()}
1521 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1522 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1523
1524 The predefined known constants are:
1525
1526 @cartouche
1527 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1528 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1529 @item @code{Pi}
1530 @tab Archimedes' constant
1531 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1532 @item @code{Catalan}
1533 @tab Catalan's constant
1534 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1535 @item @code{Euler}
1536 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1537 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1538 @end multitable
1539 @end cartouche
1540
1541
1542 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1543 @c    node-name, next, previous, up
1544 @section Sums, products and powers
1545 @cindex polynomial
1546 @cindex @code{add}
1547 @cindex @code{mul}
1548 @cindex @code{power}
1549
1550 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1551 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1552 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1553 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1554 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1555 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1556 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1557 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1558
1559 @example
1560     ...
1561     symbol a("a"), b("b");
1562     ex MyTerm = 1+a*b;
1563     ...
1564 @end example
1565
1566 @cindex @code{pow()}
1567 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1568 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1569 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1570 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1571 have several counterintuitive and undesired effects:
1572
1573 @itemize @bullet
1574 @item
1575 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1576 @item
1577 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1578 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1579 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1580 @item
1581 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1582 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1583 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1584 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1585 has requested @code{2^3}.)
1586 @end itemize
1587
1588 @cindex @command{ginsh}
1589 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1590 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1591 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1592 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1593 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1594 not exist at all in C++).
1595
1596 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1597 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1598 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1599 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1600 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1601 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1602 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1603 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1604 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1605 @code{x} negative.
1606
1607 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1608 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1609 and safe simplifications are carried out like transforming
1610 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1611
1612
1613 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1614 @c    node-name, next, previous, up
1615 @section Lists of expressions
1616 @cindex @code{lst} (class)
1617 @cindex lists
1618 @cindex @code{nops()}
1619 @cindex @code{op()}
1620 @cindex @code{append()}
1621 @cindex @code{prepend()}
1622 @cindex @code{remove_first()}
1623 @cindex @code{remove_last()}
1624 @cindex @code{remove_all()}
1625
1626 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1627 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1628 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1629 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1630 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1631
1632 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1633 expressions:
1634
1635 @example
1636 @{
1637     symbol x("x"), y("y");
1638     lst l;
1639     l = x, 2, y, x+y;
1640     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1641     // in that order
1642     ...
1643 @end example
1644
1645 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1646 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1647
1648 @example
1649     ...
1650     // This produces the same list 'l' as above:
1651     // lst l(x, 2, y, x+y);
1652     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1653     ...
1654 @end example
1655
1656 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1657 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1658 individual elements:
1659
1660 @example
1661     ...
1662     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1663     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1664     ...
1665 @end example
1666
1667 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1668 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1669 sequential access to the elements of a list is possible with the
1670 iterator types provided by the @code{lst} class:
1671
1672 @example
1673 typedef ... lst::const_iterator;
1674 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1675 lst::const_iterator lst::begin() const;
1676 lst::const_iterator lst::end() const;
1677 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1678 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1679 @end example
1680
1681 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1682
1683 @example
1684     ...
1685     // O(N)
1686     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1687         cout << *i << endl;
1688     ...
1689 @end example
1690
1691 which is one order faster than
1692
1693 @example
1694     ...
1695     // O(N^2)
1696     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1697         cout << l.op(i) << endl;
1698     ...
1699 @end example
1700
1701 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1702 the C++ standard library:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1707     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1708
1709     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1710     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1711     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1712     ...
1713 @end example
1714
1715 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1716 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1717
1718 @example
1719     ...
1720     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1721     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1722     ...
1723 @end example
1724
1725 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1726 and @code{prepend()} methods:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1731     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1736 and @code{remove_last()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1741     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1742     ...
1743 @end example
1744
1745 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1746
1747 @example
1748     ...
1749     l.remove_all();     // l is now empty
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     lst l1, l2;
1758     l1 = x, 2, y, x+y;
1759     l2 = 2, x+y, x, y;
1760     l1.sort();
1761     l2.sort();
1762     // l1 and l2 are now equal
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1767 elements with @code{unique()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     lst l3;
1772     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1773     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1774 @}
1775 @end example
1776
1777
1778 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1779 @c    node-name, next, previous, up
1780 @section Mathematical functions
1781 @cindex @code{function} (class)
1782 @cindex trigonometric function
1783 @cindex hyperbolic function
1784
1785 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1786 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1787 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1788
1789 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1790 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1791 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1792 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1793 the next example, showing how a function returns itself twice and
1794 finally an expression that may be really useful:
1795
1796 @cindex Gamma function
1797 @cindex @code{subs()}
1798 @example
1799     ...
1800     symbol x("x"), y("y");    
1801     ex foo = x+y/2;
1802     cout << tgamma(foo) << endl;
1803      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1804     ex bar = foo.subs(y==1);
1805     cout << tgamma(bar) << endl;
1806      // -> tgamma(x+1/2)
1807     ex foobar = bar.subs(x==7);
1808     cout << tgamma(foobar) << endl;
1809      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1810     ...
1811 @end example
1812
1813 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1814 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1815 this.
1816
1817 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1818 functions, where the argument list is templated.  This means that
1819 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1820 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1821 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1822 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1823 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1824 point number of class @code{numeric} you should call
1825 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1826 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1827 wrapped inside an @code{ex}.
1828
1829
1830 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1831 @c    node-name, next, previous, up
1832 @section Relations
1833 @cindex @code{relational} (class)
1834
1835 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1836 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1837 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1838 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1839 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1840 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1841
1842 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1843 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1844 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1845 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1846 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1847 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1848 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1849 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1850 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1851 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1852 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1853 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1854 @code{expand()} must be called explicitly.
1855
1856 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1857 @c    node-name, next, previous, up
1858 @section Integrals
1859 @cindex @code{integral} (class)
1860
1861 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1862 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1863 1, you would write this as
1864 @example
1865 integral(x, 0, 1, x*x)
1866 @end example
1867 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1868 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1869 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1870 can be evaluated symbolically by calling the
1871 @example
1872 .eval_integ()
1873 @end example
1874 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1875 @example
1876 .evalf()
1877 @end example
1878 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1879 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1880 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1881 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1882 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1883 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1884 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1885 integrals is determined by the static member variable
1886 @example
1887 ex integral::relative_integration_error
1888 @end example
1889 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1890 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1891 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1892 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1893 variable
1894 @example
1895 int integral::max_integration_level
1896 @end example
1897 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1898 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1899 evaluation, is also available as
1900 @example
1901 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1902 const ex & error)
1903 @end example
1904 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1905 last parameter of the function is optional and defaults to the
1906 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1907 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1908 a lookup table is used.
1909
1910 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1911 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1912 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1913 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1914 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1915 with respect to the integration variable.
1916
1917 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1918 @c    node-name, next, previous, up
1919 @section Matrices
1920 @cindex @code{matrix} (class)
1921
1922 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1923 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1924 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1925 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1926
1927 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1928 elements. The constructor
1929
1930 @example
1931 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1932 @end example
1933
1934 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1935 set to zero.
1936
1937 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1938 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1939 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1940
1941 @example
1942 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1943 @end example
1944
1945 The function
1946
1947 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1948 @example
1949 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1950 @end example
1951
1952 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1953
1954 There is also a set of functions for creating some special types of
1955 matrices:
1956
1957 @cindex @code{diag_matrix()}
1958 @cindex @code{unit_matrix()}
1959 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1960 @example
1961 ex diag_matrix(const lst & l);
1962 ex unit_matrix(unsigned x);
1963 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1964 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1965 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1966                    const string & tex_base_name);
1967 @end example
1968
1969 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1970 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1971 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1972 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1973 and the position of each element in the matrix.
1974
1975 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1976 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1977 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1978 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1979 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1980 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1981
1982 @cindex @code{sub_matrix()}
1983 @cindex @code{reduced_matrix()}
1984 @example
1985 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1986 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1987 @end example
1988
1989 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1990 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1991 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1992 that specify which row and column to remove:
1993
1994 @example
1995 @{
1996     matrix m(3,3);
1997     m = 11, 12, 13,
1998         21, 22, 23,
1999         31, 32, 33;
2000     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2001     // -> [[11,13],[31,33]]
2002     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2003     // -> [[22,23],[32,33]]
2004 @}
2005 @end example
2006
2007 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2008 operator:
2009
2010 @example
2011 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2012 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2013 @end example
2014
2015 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2016 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2017 @samp{[]} is not available.
2018
2019 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2020
2021 @example
2022 @{
2023     symbol a("a"), b("b");
2024
2025     matrix M(2, 2);
2026     M = a, 0,
2027         0, b;
2028     cout << M << endl;
2029      // -> [[a,0],[0,b]]
2030
2031     matrix M2(2, 2);
2032     M2(0, 0) = a;
2033     M2(1, 1) = b;
2034     cout << M2 << endl;
2035      // -> [[a,0],[0,b]]
2036
2037     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2038      // -> [[a,0],[0,b]]
2039
2040     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2041      // -> [[a,0],[0,b]]
2042
2043     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2044      // -> [[a,0],[0,b]]
2045
2046     cout << unit_matrix(3) << endl;
2047      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2048
2049     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2050      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2051 @}
2052 @end example
2053
2054 @cindex @code{transpose()}
2055 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2056 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2057
2058 @example
2059 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2060 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2061 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2063 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2064 matrix matrix::transpose() const;
2065 @end example
2066
2067 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2068 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2069 and @math{C}:
2070
2071 @example
2072 @{
2073     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2074     A =  1, 2,
2075          3, 4;
2076     B = -1, 0,
2077          2, 1;
2078     C =  8, 4,
2079          2, 1;
2080
2081     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2082     cout << result << endl;
2083      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2084     ...
2085 @}
2086 @end example
2087
2088 @cindex @code{evalm()}
2089 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2090 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2091 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2092 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2093 method
2094
2095 @example
2096 ex ex::evalm() const;
2097 @end example
2098
2099 to obtain the result:
2100
2101 @example
2102 @{
2103     ...
2104     ex e = A*B - 2*C;
2105     cout << e << endl;
2106      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2107     cout << e.evalm() << endl;
2108      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2109     ...
2110 @}
2111 @end example
2112
2113 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2114 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2115 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2116 dealing with non-commutative expressions.
2117
2118 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2119 to perform the arithmetic:
2120
2121 @example
2122 @{
2123     ...
2124     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2125     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2126     cout << e << endl;
2127      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2128     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2129      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2130 @}
2131 @end example
2132
2133 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2134 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2135 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2136 more information about using matrices with indices, and about indices in
2137 general.
2138
2139 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2140 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2141
2142 @cindex @code{determinant()}
2143 @cindex @code{trace()}
2144 @cindex @code{charpoly()}
2145 @cindex @code{rank()}
2146 @example
2147 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2148 ex matrix::trace() const;
2149 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2150 unsigned matrix::rank() const;
2151 @end example
2152
2153 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2154 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2155 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2156 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2157 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2158 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2159 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2160 quickly.
2161
2162 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2163 @cindex @code{solve()}
2164 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2165 method and linear systems may be solved with:
2166
2167 @example
2168 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2169                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2170 @end example
2171
2172 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2173 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2174 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2175 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2176 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2177 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2178 overdetermined, an exception is thrown.
2179
2180
2181 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2182 @c    node-name, next, previous, up
2183 @section Indexed objects
2184
2185 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2186 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2187 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2188 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2189
2190 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2191 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2192 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2193 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2194
2195 @cindex @code{idx} (class)
2196 @cindex @code{indexed} (class)
2197 @subsection Indexed quantities and their indices
2198
2199 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2200 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2201
2202 @itemize @bullet
2203
2204 @cindex contravariant
2205 @cindex covariant
2206 @cindex variance
2207 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2208 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2209 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2210 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2211 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2212 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2213
2214 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2215 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2216 one or more indices.
2217
2218 @end itemize
2219
2220 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2221 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2222 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2223 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2224 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2225 not visible in the output.
2226
2227 A simple example shall illustrate the concepts:
2228
2229 @example
2230 #include <iostream>
2231 #include <ginac/ginac.h>
2232 using namespace std;
2233 using namespace GiNaC;
2234
2235 int main()
2236 @{
2237     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2238     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2239
2240     symbol A("A");
2241     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2242      // -> A.i.j
2243     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i[3].j[3]
2245     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2246     ...
2247 @end example
2248
2249 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2250 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2251 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2252 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2253 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2254 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2255 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2256 @code{j}.
2257
2258 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2259 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2260 as shown above.
2261
2262 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2263 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2264 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2265 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2266 correct and will raise an exception:
2267
2268 @example
2269 symbol i("i"), j("j");
2270 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2271 @end example
2272
2273 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2274 be numeric, and index dimensions symbolic:
2275
2276 @example
2277     ...
2278     symbol B("B"), dim("dim");
2279     cout << 4 * indexed(A, i)
2280           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2281      // -> B.j.2.i+4*A.i
2282     ...
2283 @end example
2284
2285 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2286 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2287 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2288 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2289 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2290
2291 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2292 arbitrary expressions:
2293
2294 @example
2295     ...
2296     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2297      // -> (B+A).(1+2*i)
2298     ...
2299 @end example
2300
2301 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2302 get an error message from this but you will probably not be able to do
2303 anything useful with it.
2304
2305 @cindex @code{get_value()}
2306 @cindex @code{get_dimension()}
2307 The methods
2308
2309 @example
2310 ex idx::get_value();
2311 ex idx::get_dimension();
2312 @end example
2313
2314 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2315 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2316 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2317 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2318
2319 There are also the methods
2320
2321 @example
2322 bool idx::is_numeric();
2323 bool idx::is_symbolic();
2324 bool idx::is_dim_numeric();
2325 bool idx::is_dim_symbolic();
2326 @end example
2327
2328 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2329 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2330 About Expressions}) returns information about the index value.
2331
2332 @cindex @code{varidx} (class)
2333 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2334
2335 @example
2336     ...
2337     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2338     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2339     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2340
2341     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2342      // -> A~mu~nu
2343     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2344      // -> A.mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     ...
2348 @end example
2349
2350 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2351 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2352 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2353 constructor. The two methods
2354
2355 @example
2356 bool varidx::is_covariant();
2357 bool varidx::is_contravariant();
2358 @end example
2359
2360 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2361 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2362 method
2363
2364 @example
2365 ex varidx::toggle_variance();
2366 @end example
2367
2368 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2369 variance. By using it you only have to define the index once.
2370
2371 @cindex @code{spinidx} (class)
2372 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2373 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2374
2375 @example
2376     ...
2377     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2378     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2379                                             // contravariant, undotted
2380     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2381     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2382     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2383
2384     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2385      // -> K~C~D
2386     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2387      // -> K.C~*D
2388     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2389      // -> K.*D~D
2390     ...
2391 @end example
2392
2393 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2394 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2395 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2396 methods
2397
2398 @example
2399 bool spinidx::is_dotted();
2400 bool spinidx::is_undotted();
2401 @end example
2402
2403 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2404 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2405 Finally, the two methods
2406
2407 @example
2408 ex spinidx::toggle_dot();
2409 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2410 @end example
2411
2412 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2413 and the same or opposite variance.
2414
2415 @subsection Substituting indices
2416
2417 @cindex @code{subs()}
2418 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2419 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2420 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2421 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2422
2423 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2424 by another index or expression:
2425
2426 @example
2427     ...
2428     ex e = indexed(A, mu_co);
2429     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2430      // -> A.mu becomes A~nu
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~0
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A.0
2435     ...
2436 @end example
2437
2438 The third example shows that trying to replace an index with something that
2439 is not an index will substitute the index value instead.
2440
2441 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2442 another expression:
2443
2444 @example
2445     ...
2446     ex e = indexed(A, mu_co);
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.nu
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.0
2451     ...
2452 @end example
2453
2454 As you see, with the second method only the value of the index will get
2455 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2456 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2457 whole index by another one with the new dimension.
2458
2459 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2460 expected:
2461
2462 @example
2463     ...
2464     ex e = indexed(A, mu_co);
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2466      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2467     ...
2468 @end example
2469
2470 @subsection Symmetries
2471 @cindex @code{symmetry} (class)
2472 @cindex @code{sy_none()}
2473 @cindex @code{sy_symm()}
2474 @cindex @code{sy_anti()}
2475 @cindex @code{sy_cycl()}
2476
2477 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2478 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2479 that is constructed with the helper functions
2480
2481 @example
2482 symmetry sy_none(...);
2483 symmetry sy_symm(...);
2484 symmetry sy_anti(...);
2485 symmetry sy_cycl(...);
2486 @end example
2487
2488 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2489 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2490 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2491 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2492 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2493 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2494 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2495 all indices.
2496
2497 Here are some examples of symmetry definitions:
2498
2499 @example
2500     ...
2501     // No symmetry:
2502     e = indexed(A, i, j);
2503     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2504     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2505
2506     // Symmetric in all three indices:
2507     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2508     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2509     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2510                                                // different canonical order
2511
2512     // Symmetric in the first two indices only:
2513     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2514     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2515
2516     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2517     // be contiguous):
2518     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2519     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2520
2521     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2522     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2523     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2524     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2525
2526     // Cyclic symmetry in all three indices:
2527     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // The following examples are invalid constructions that will throw
2531     // an exception at run time.
2532
2533     // An index may not appear multiple times:
2534     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2535     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2536
2537     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2538     // same number of indices:
2539     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2540
2541     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2542     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2543     ...
2544 @end example
2545
2546 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2547 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2548 full symmetry in the first six indices you would write
2549 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2550
2551 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2552 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2553
2554 @example
2555     ...
2556     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2557           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2558      // -> 2*A.j.i
2559     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2560           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2561      // -> 0
2562     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2563           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2564      // -> 0
2565     ...
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{get_free_indices()}
2569 @cindex dummy index
2570 @subsection Dummy indices
2571
2572 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2573 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2574 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2575 dummy nor free indices.
2576
2577 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2578 class and their value must be the same single symbol (an index like
2579 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2580 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2581 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2582
2583 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2584 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2585 of a sum are consistent:
2586
2587 @example
2588 @{
2589     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2590
2591     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2592     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2593
2594     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2595     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2596      // -> (.i,.k)
2597      // 'j' and 'l' are dummy indices
2598
2599     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2600     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2601
2602     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2603       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2604     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2605      // -> (~mu,~rho)
2606      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2607
2608     e = indexed(A, mu, mu);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (~mu)
2611      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2612      // variance
2613
2614     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2615     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2616      // this will throw an exception:
2617      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 @cindex @code{simplify_indexed()}
2622 @subsection Simplifying indexed expressions
2623
2624 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2625 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2626 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2627 there is the method
2628
2629 @example
2630 ex ex::simplify_indexed();
2631 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2632 @end example
2633
2634 that performs some more expensive operations:
2635
2636 @itemize
2637 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2638   @code{get_free_indices()} does
2639 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2640   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2641 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2642   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2643   next section)
2644 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2645   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2646 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2647   of two tensors with a user-defined value
2648 @end itemize
2649
2650 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2651 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2652 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2653
2654 @example
2655 @{
2656     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2657     idx i(i_sym, 3);
2658
2659     scalar_products sp;
2660     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2661     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2662     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2663
2664     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2665     cout << e << endl;
2666      // -> (B+A).i*(A+C).i
2667
2668     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2669          << endl;
2670      // -> 4+C.i*B.i
2671 @}
2672 @end example
2673
2674 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2675 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2676 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2677 taken, and the expression to replace it with.
2678
2679 @cindex @code{expand()}
2680 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2681 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2682 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2683
2684 @cindex @code{tensor} (class)
2685 @subsection Predefined tensors
2686
2687 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2688 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2689 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2690 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2691 indices are specified).
2692
2693 @cindex @code{delta_tensor()}
2694 @subsubsection Delta tensor
2695
2696 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2697 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2698 @code{delta_tensor()}:
2699
2700 @example
2701 @{
2702     symbol A("A"), B("B");
2703
2704     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2705         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2706
2707     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2708          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2709     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2710      // -> B.i.j*A.i.j
2711
2712     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2713      // -> 3
2714 @}
2715 @end example
2716
2717 @cindex @code{metric_tensor()}
2718 @subsubsection General metric tensor
2719
2720 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2721 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2722 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2723 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2724
2725 @example
2726 @{
2727     symbol A("A");
2728
2729     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2730
2731     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2732     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2733      // -> A~mu~rho
2734
2735     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2736     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2737      // -> g~mu~rho
2738
2739     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2740       * metric_tensor(nu, rho);
2741     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2742      // -> delta.mu~rho
2743
2744     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2745       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2746         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2747     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2748      // -> 4+A.rho~rho
2749 @}
2750 @end example
2751
2752 @cindex @code{lorentz_g()}
2753 @subsubsection Minkowski metric tensor
2754
2755 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2756 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2757 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2758 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2759 @samp{eta}):
2760
2761 @example
2762 @{
2763     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2764
2765     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2766       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2767     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2768      // -> 1
2769
2770     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2771       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2772     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2773      // -> -1
2774 @}
2775 @end example
2776
2777 @cindex @code{spinor_metric()}
2778 @subsubsection Spinor metric tensor
2779
2780 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2781 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2782 It is output as @samp{eps}:
2783
2784 @example
2785 @{
2786     symbol psi("psi");
2787
2788     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2789     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2790
2791     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2792     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2793      // -> psi~A
2794
2795     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2796     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2797      // -> -psi~B
2798
2799     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2800     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2801      // -> -psi.A
2802
2803     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2804     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2805      // -> psi.B
2806
2807     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2808     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2809      // -> 2
2810
2811     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> -delta.A~C
2814 @}
2815 @end example
2816
2817 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2818
2819 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2820 @cindex @code{lorentz_eps()}
2821 @subsubsection Epsilon tensor
2822
2823 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2824 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2825 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2826 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2827 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2828 @samp{eps}.
2829
2830 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2831 dimensions:
2832
2833 @example
2834 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2835 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2836 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2837                bool pos_sig = false);
2838 @end example
2839
2840 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2841 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2842 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2843 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2844 tensor):
2845
2846 @example
2847 @{
2848     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2849            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2850     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2851         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2852     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2853      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2854
2855     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2856     symbol A("A"), B("B");
2857     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2858     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2859      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2860     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2861     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2862      // -> 0
2863 @}
2864 @end example
2865
2866 @subsection Linear algebra
2867
2868 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2869 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2870 and scalar products):
2871
2872 @example
2873 @{
2874     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2875     symbol x("x"), y("y");
2876
2877     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2878     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2879     A = 1, 2,
2880         3, 4;
2881     X = x, y;
2882
2883     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2884      // -> 5
2885
2886     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2887     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2888      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2889
2890     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2891     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2892      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2893 @}
2894 @end example
2895
2896 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2897 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2898 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2899
2900 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2901 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2902 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2903 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2904
2905 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2906 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2907 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2908 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2909 of the metric tensor.
2910
2911
2912 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2913 @c    node-name, next, previous, up
2914 @section Non-commutative objects
2915
2916 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2917 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2918 physics:
2919
2920 @itemize
2921 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2922 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2923 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2924 @end itemize
2925
2926 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2927 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2928 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2929 @ref{Matrices}.
2930
2931 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2932 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2933 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2934 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2935 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2936 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2937 by their class. Consider this example:
2938
2939 @example
2940     ...
2941     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2942     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2943     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2944     cout << e << endl;
2945      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2946     ...
2947 @end example
2948
2949 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2950 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2951 together while preserving the order of factors within each class (because
2952 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2953 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2954 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2955 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2956
2957 @cindex @code{ncmul} (class)
2958 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2959 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2960 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2961 though.
2962
2963 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2964 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2965 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2966 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2967 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2968 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2969 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2970 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2971 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2972 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2973
2974 @cindex @code{return_type()}
2975 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2976 Information about the commutativity of an object or expression can be
2977 obtained with the two member functions
2978
2979 @example
2980 unsigned ex::return_type() const;
2981 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2982 @end example
2983
2984 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2985 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2986 expressions in GiNaC:
2987
2988 @itemize
2989 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2990   classes are of this kind.
2991 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2992   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2993   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2994   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2995   class.
2996 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2997   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2998   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
2999   @code{noncommutative_composite} expressions.
3000 @end itemize
3001
3002 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3003 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3004 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3005 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3006
3007 Here are a couple of examples:
3008
3009 @cartouche
3010 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3011 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3012 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3013 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3014 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3015 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3016 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3017 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3018 @end multitable
3019 @end cartouche
3020
3021 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3022 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3023 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3024 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3025 for color objects.
3026
3027 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3028 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3029 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3030 non-commutative expressions).
3031
3032
3033 @cindex @code{clifford} (class)
3034 @subsection Clifford algebra
3035
3036
3037 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3038 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3039 mathematical). 
3040
3041 @cindex @code{dirac_gamma()}
3042 @subsubsection Dirac gamma matrices
3043 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3044 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3045 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3046 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3047 constructed by the function
3048
3049 @example
3050 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3051 @end example
3052
3053 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3054 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3055 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3056 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3057 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3058 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3059
3060 @cindex @code{dirac_ONE()}
3061 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3062
3063 @example
3064 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3065 @end example
3066
3067 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3068 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3069 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3070 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3071 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3072
3073 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3074 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3075 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3076 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3077
3078 @example
3079 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3080 @end example
3081
3082 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3083 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3084 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3085 objects, constructed by
3086
3087 @example
3088 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3089 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3090 @end example
3091
3092 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3093 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3094
3095 @cindex @code{dirac_slash()}
3096 Finally, the function
3097
3098 @example
3099 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3100 @end example
3101
3102 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3103 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3104 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3105 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3106
3107 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3108 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3109 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3110
3111 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3112 for example
3113
3114 @example
3115 @{
3116     ...
3117     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3118     varidx mu(symbol("mu"), D);
3119     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3120          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3121     cout << e << endl;
3122      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3123     e = e.simplify_indexed();
3124     cout << e << endl;
3125      // -> -D*a\+2*a\
3126     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3127      // -> -2*a\
3128     ...
3129 @}
3130 @end example
3131
3132 @cindex @code{dirac_trace()}
3133 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3134 you use one of the functions
3135
3136 @example
3137 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3138                const ex & trONE = 4);
3139 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3140 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3141 @end example
3142
3143 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3144 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3145 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3146 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3147 element, which defaults to 4.
3148
3149 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3150 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3151 functional is not cyclic in
3152 @tex $D \ne 4$
3153 @end tex
3154 dimensions when acting on
3155 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3156 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3157 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3158
3159 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3160 @tex $D \ne 4$
3161 @end tex
3162 dimensions:
3163
3164 @example
3165 @{
3166     // 4 dimensions
3167     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3168     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3169            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3170     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3171      // -> -8*eta~rho~nu
3172 @}
3173 ...
3174 @{
3175     // D dimensions
3176     symbol D("D");
3177     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3178     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3179            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3180     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3181      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3182 @}
3183 @end example
3184
3185 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3186 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3187 QED:
3188
3189 @example
3190 @{
3191     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3192     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3193
3194     scalar_products sp;
3195     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3196     sp.add(l, q, ldotq);
3197
3198     ex e = dirac_gamma(mu) *
3199            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3200            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3201            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3202     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3203     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3204     cout << e << endl;
3205      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3206 @}
3207 @end example
3208
3209 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3210 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3211 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3212
3213 @example
3214 @{
3215     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3216     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3217     cout << e << endl;
3218      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3219
3220     e = canonicalize_clifford(e);
3221     cout << e << endl;
3222      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3223 @}
3224 @end example
3225
3226 @cindex @code{clifford_unit()}
3227 @subsubsection A generic Clifford algebra
3228
3229 A generic Clifford algebra, i.e. a
3230 @tex
3231 $2^n$
3232 @end tex
3233 dimensional algebra with
3234 generators 
3235 @tex $e_k$
3236 @end tex 
3237 satisfying the identities 
3238 @tex
3239 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) $
3240 @end tex
3241 @ifnottex
3242 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j)
3243 @end ifnottex
3244 for some matrix (@code{metric})
3245 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric and containing symbolic
3246 entries. Such generators are created by the function
3247
3248 @example
3249     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);
3250 @end example
3251
3252 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3253 generators, @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3254 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3255 object, optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3256 Clifford algebras (which will commute with each other). Note that the call
3257 @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates something very close to
3258 @code{dirac_gamma(mu)}. The method @code{clifford::get_metric()} returns a
3259 metric defining this Clifford number.
3260
3261 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3262 the Clifford algebra units with a call like that
3263
3264 @example
3265     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3266 @end example
3267
3268 since this may yield some further automatic simplifications.
3269
3270 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3271 ways. For example 
3272
3273 @example
3274 @{
3275     ... 
3276     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3277     realsymbol s("s");
3278     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3279     ex e = clifford_unit(nu, M);
3280     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3281     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3282     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3283     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3284     ...
3285 @}
3286 @end example
3287
3288 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3289 @tex
3290 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3291 @end tex
3292 @ifnottex
3293 @code{pow(e0, 2) = 1},  @code{pow(e1, 2) = -1},   @code{pow(e2, 2) = 0} and   @code{pow(e3, 2) = s}. 
3294 @end ifnottex
3295
3296 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3297 A similar effect can be achieved from the function
3298
3299 @example
3300     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3301                        unsigned char rl = 0);
3302     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3303 @end example
3304
3305 which converts a list or vector 
3306 @tex
3307 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3308 @end tex
3309 @ifnottex
3310 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3311 @end ifnottex
3312 into the
3313 Clifford number 
3314 @tex
3315 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3316 @end tex
3317 @ifnottex
3318 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3319 @end ifnottex
3320 with @samp{e.k}
3321 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3322 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3323 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3324 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3325
3326 @example
3327 @{
3328     ...
3329     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3330     realsymbol s("s");
3331     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3332     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3333     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3334     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3335     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3336   ...
3337 @}
3338 @end example
3339
3340 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3341 There is the inverse function 
3342
3343 @example
3344     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3345 @end example
3346
3347 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3348 @tex
3349 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3350 @end tex
3351 @ifnottex
3352 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3353 @end ifnottex
3354 such that 
3355 @tex
3356 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3357 @end tex
3358 @ifnottex
3359 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3360 @end ifnottex
3361 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3362 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3363 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3364 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3365 @tex
3366 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3367 @end tex
3368 @ifnottex
3369 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3370 @end ifnottex
3371 is zero or is not a @code{numeric} for some @samp{k}
3372 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3373 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3374
3375 @cindex @code{clifford_prime()}
3376 @cindex @code{clifford_star()}
3377 @cindex @code{clifford_bar()}
3378 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3379
3380 @example
3381     ex clifford_prime(const ex & e)
3382     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3383     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3384 @end example
3385
3386 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3387 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3388 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3389 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3390 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3391 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3392 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3393 in a product. These functions correspond to the notations
3394 @math{e'},
3395 @tex
3396 $e^*$
3397 @end tex
3398 @ifnottex
3399 e*
3400 @end ifnottex
3401 and
3402 @tex
3403 $\overline{e}$
3404 @end tex
3405 @ifnottex
3406 @code{\bar@{e@}}
3407 @end ifnottex
3408 used in Clifford algebra textbooks.
3409
3410 @cindex @code{clifford_norm()}
3411 The function
3412
3413 @example
3414     ex clifford_norm(const ex & e);
3415 @end example
3416
3417 @cindex @code{clifford_inverse()}
3418 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3419 @tex
3420 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3421 @end tex
3422 @ifnottex
3423 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3424 @end ifnottex
3425  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3426
3427 @example
3428     ex clifford_inverse(const ex & e);
3429 @end example
3430
3431 which calculates it as 
3432 @tex
3433 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3434 @end tex
3435 @ifnottex
3436 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3437 @end ifnottex
3438  If
3439 @tex
3440 $||e|| = 0$
3441 @end tex
3442 @ifnottex
3443 @math{||e||=0}
3444 @end ifnottex
3445 then an exception is raised.
3446
3447 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3448 If a Clifford number happens to be a factor of
3449 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3450 expression by the function
3451
3452 @example
3453     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3454 @end example
3455
3456 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3457 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3458 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3459
3460 The last provided function is
3461
3462 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3463 @example
3464     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3465                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3466                             unsigned char rl = 0);
3467     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3468                             unsigned char rl = 0);
3469 @end example 
3470
3471 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3472 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3473 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3474 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be a
3475 matrix or a Clifford unit, in the later case the parameter @code{rl} is
3476 ignored even if supplied.  The returned value of this function is a list
3477 of components of the resulting vector.
3478
3479 LaTeX output for Clifford units looks like @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}},
3480 where @code{1} is the @code{representation_label} and @code{\nu} is the
3481 index of the corresponding unit. This provides a flexible typesetting
3482 with a suitable defintion of the @code{\clifford} command. For example, the
3483 definition 
3484 @example
3485     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3486 @end example
3487 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3488 @example
3489     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3490 @end example
3491 prints units with @code{representation_label=0} as 
3492 @tex
3493 $e$,
3494 @end tex
3495 @ifnottex
3496 @code{e},
3497 @end ifnottex
3498 with @code{representation_label=1} as 
3499 @tex
3500 $\tilde{e}$
3501 @end tex
3502 @ifnottex
3503 @code{\tilde@{e@}}
3504 @end ifnottex
3505  and with @code{representation_label=2} as 
3506 @tex
3507 $\breve{e}$.
3508 @end tex
3509 @ifnottex
3510 @code{\breve@{e@}}.
3511 @end ifnottex
3512
3513 @cindex @code{color} (class)
3514 @subsection Color algebra
3515
3516 @cindex @code{color_T()}
3517 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3518 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3519 elements @math{T_a} are constructed by the function
3520
3521 @example
3522 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3523 @end example
3524
3525 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3526 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3527 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3528 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3529 not @code{varidx}.
3530
3531 @cindex @code{color_ONE()}
3532 The unity element of a color algebra is constructed by
3533
3534 @example
3535 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3536 @end example
3537
3538 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3539 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3540 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3541 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3542 GiNaC may produce incorrect results.
3543
3544 @cindex @code{color_d()}
3545 @cindex @code{color_f()}
3546 The functions
3547
3548 @example
3549 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3550 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3551 @end example
3552
3553 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3554 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3555 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3556
3557 These functions evaluate to their numerical values,
3558 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3559 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3560 goes along better with the notations used in physical literature.
3561
3562 @cindex @code{color_h()}
3563 There's an additional function
3564
3565 @example
3566 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3567 @end example
3568
3569 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3570
3571 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3572 expressions containing color objects:
3573
3574 @example
3575 @{
3576     ...
3577     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3578         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3579
3580     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3581     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3582      // -> 0
3583
3584     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3585     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3586      // -> 5/3*delta.k.l
3587
3588     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3589     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3590      // -> 3*delta.k.l
3591
3592     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3593     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3594      // -> -32/3
3595
3596     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3597     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3598      // -> -2/3*T.a
3599
3600     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3601     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3602      // -> -8/9*ONE
3603
3604     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3605     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3606      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3607     ...
3608 @end example
3609
3610 @cindex @code{color_trace()}
3611 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3612 of the functions
3613
3614 @example
3615 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3616 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3617 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3618 @end example
3619
3620 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3621 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3622 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3623 example:
3624
3625 @example
3626     ...
3627     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3628     cout << e << endl;
3629      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3630 @}
3631 @end example
3632
3633
3634 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3635 @c    node-name, next, previous, up
3636 @section Hash Maps
3637 @cindex hash maps
3638 @cindex @code{exhashmap} (class)
3639
3640 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3641 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3642 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3643 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3644
3645 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3646 following differences:
3647
3648 @itemize @bullet
3649 @item
3650 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3651 @item
3652 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3653 @item 
3654 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3655 @item
3656 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3657 @code{ex_is_less}
3658 @item
3659 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3660 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3661 larger than the specified value)
3662 @item
3663 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3664 table
3665 @item 
3666 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3667 @end itemize
3668
3669
3670 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3671 @c    node-name, next, previous, up
3672 @chapter Methods and Functions
3673 @cindex polynomial
3674
3675 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3676 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3677 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3678 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3679 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3680 example:
3681
3682 @example
3683     ...
3684     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3685     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3686     ...
3687 @end example
3688
3689 @cindex @code{subs()}
3690 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3691 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3692 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3693 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3694 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3695 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3696 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3697 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3698 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3699 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3700 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3701 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3702 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3703 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3704 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3705 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3706 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3707 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3708 avoided.
3709
3710 @menu
3711 * Information About Expressions::
3712 * Numerical Evaluation::
3713 * Substituting Expressions::
3714 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3715 * Applying a Function on Subexpressions::
3716 * Visitors and Tree Traversal::
3717 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3718 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3719 * Symbolic Differentiation::
3720 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3721 * Symmetrization::
3722 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3723 * Multiple polylogarithms::
3724 * Complex Conjugation::
3725 * Solving Linear Systems of Equations::
3726 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3727 @end menu
3728
3729
3730 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3731 @c    node-name, next, previous, up
3732 @section Getting information about expressions
3733
3734 @subsection Checking expression types
3735 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3736 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3737 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3738 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3739 @cindex @code{info()}
3740 @cindex @code{return_type()}
3741 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3742
3743 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3744 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3745 GiNaC provides a couple of functions for this:
3746
3747 @example
3748 bool is_a<T>(const ex & e);
3749 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3750 bool ex::info(unsigned flag);
3751 unsigned ex::return_type() const;
3752 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3753 @end example
3754
3755 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3756 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3757 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3758 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3759
3760 @example
3761 @{
3762     @dots{}
3763     if (is_a<numeric>(e))
3764         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3765     @dots{}
3766 @}
3767 @end example
3768
3769 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3770 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3771 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3772 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3773
3774 @example
3775 @{
3776     symbol x("x");
3777     ex e1 = 42;
3778     ex e2 = 4*x - 3;
3779     is_a<numeric>(e1);  // true
3780     is_a<numeric>(e2);  // false
3781     is_a<add>(e1);      // false
3782     is_a<add>(e2);      // true
3783     is_a<mul>(e1);      // false
3784     is_a<mul>(e2);      // false
3785 @}
3786 @end example
3787
3788 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3789 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3790 class @samp{T}, not including parent classes.
3791
3792 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3793 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3794 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3795 table:
3796
3797 @cartouche
3798 @multitable @columnfractions .30 .70
3799 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3800 @item @code{numeric}
3801 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3802 @item @code{real}
3803 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3804 @item @code{rational}
3805 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3806 @item @code{integer}
3807 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3808 @item @code{crational}
3809 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3810 @item @code{cinteger}
3811 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3812 @item @code{positive}
3813 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3814 @item @code{negative}
3815 @tab @dots{}not complex and less than 0
3816 @item @code{nonnegative}
3817 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3818 @item @code{posint}
3819 @tab @dots{}an integer greater than 0
3820 @item @code{negint}
3821 @tab @dots{}an integer less than 0
3822 @item @code{nonnegint}
3823 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3824 @item @code{even}
3825 @tab @dots{}an even integer
3826 @item @code{odd}
3827 @tab @dots{}an odd integer
3828 @item @code{prime}
3829 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3830 @item @code{relation}
3831 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3832 @item @code{relation_equal}
3833 @tab @dots{}a @code{==} relation
3834 @item @code{relation_not_equal}
3835 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3836 @item @code{relation_less}
3837 @tab @dots{}a @code{<} relation
3838 @item @code{relation_less_or_equal}
3839 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3840 @item @code{relation_greater}
3841 @tab @dots{}a @code{>} relation
3842 @item @code{relation_greater_or_equal}
3843 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3844 @item @code{symbol}
3845 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3846 @item @code{list}
3847 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3848 @item @code{polynomial}
3849 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3850 @item @code{integer_polynomial}
3851 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3852 @item @code{cinteger_polynomial}
3853 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3854 @item @code{rational_polynomial}
3855 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3856 @item @code{crational_polynomial}
3857 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3858 @item @code{rational_function}
3859 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3860 @item @code{algebraic}
3861 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3862 @end multitable
3863 @end cartouche
3864
3865 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3866 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3867 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3868 for an explanation of these.
3869
3870
3871 @subsection Accessing subexpressions
3872 @cindex container
3873
3874 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3875 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3876 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3877 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3878
3879 @cindex @code{nops()}
3880 @cindex @code{op()}
3881 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3882 use the two methods
3883
3884 @example
3885 size_t ex::nops();
3886 ex ex::op(size_t i);
3887 @end example
3888
3889 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3890 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3891 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3892 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3893 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3894 @math{i>0} are the indices.
3895
3896 @cindex iterators
3897 @cindex @code{const_iterator}
3898 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3899 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3900
3901 @example
3902 const_iterator ex::begin();
3903 const_iterator ex::end();
3904 @end example
3905
3906 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3907 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3908 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3909 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3910
3911 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3912 given expression in three different ways:
3913
3914 @example
3915 @{
3916     ex e = ...
3917
3918     // with nops()/op()
3919     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3920         cout << e.op(i) << endl;
3921
3922     // with iterators
3923     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3924         cout << *i << endl;
3925
3926     // with iterators and STL copy()
3927     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3928 @}
3929 @end example
3930
3931 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3932 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3933 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3934 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3935 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3936 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3937 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3938 methods
3939
3940 @example
3941 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3942 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3943 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3944 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3945 @end example
3946
3947 The following example illustrates the differences between
3948 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3949 @code{const_postorder_iterator}:
3950
3951 @example
3952 @{
3953     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3954     ex e = lst(lst(A, B), C);
3955
3956     std::copy(e.begin(), e.end(),
3957               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3958     // @{A,B@}
3959     // C
3960
3961     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3962               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3963     // @{@{A,B@},C@}
3964     // @{A,B@}
3965     // A
3966     // B
3967     // C
3968
3969     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3970               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3971     // A
3972     // B
3973     // @{A,B@}
3974     // C
3975     // @{@{A,B@},C@}
3976 @}
3977 @end example
3978
3979 @cindex @code{relational} (class)
3980 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3981 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3982 methods
3983
3984 @example
3985 ex ex::lhs();
3986 ex ex::rhs();
3987 @end example
3988
3989
3990 @subsection Comparing expressions
3991 @cindex @code{is_equal()}
3992 @cindex @code{is_zero()}
3993
3994 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3995 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3996 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3997 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3998 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3999 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4000 @code{false}.
4001
4002 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4003 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4004 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4005
4006 There are also two methods
4007
4008 @example
4009 bool ex::is_equal(const ex & other);
4010 bool ex::is_zero();
4011 @end example
4012
4013 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4014 respectively.
4015
4016
4017 @subsection Ordering expressions
4018 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4019 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4020 @cindex @code{compare()}
4021
4022 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4023 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4024 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4025 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4026
4027 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4028 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4029 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4030 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4031 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4032 yield @code{true}.
4033
4034 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4035 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4036 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4037 predicates to the STL:
4038
4039 @example
4040 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4041 public:
4042     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4043 @};
4044
4045 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4046 public:
4047     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4048 @};
4049 @end example
4050
4051 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4052 have to use
4053
4054 @example
4055 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4056 @end example
4057
4058 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4059 bugs because the map operates improperly.
4060
4061 Other examples for the use of the functors:
4062
4063 @example
4064 std::vector<ex> v;
4065 // fill vector
4066 ...
4067
4068 // sort vector
4069 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4070
4071 // count the number of expressions equal to '1'
4072 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4073                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4074 @end example
4075
4076 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4077
4078 @example
4079 int ex::compare(const ex & other) const;
4080 @end example
4081
4082 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4083 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4084 after @code{other}.
4085
4086
4087 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4088 @c    node-name, next, previous, up
4089 @section Numerical Evaluation
4090 @cindex @code{evalf()}
4091
4092 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4093 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4094
4095 @example
4096 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4097 @end example
4098
4099 @cindex @code{Digits}
4100 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4101 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4102 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4103
4104 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4105 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4106
4107 @example
4108 @{
4109     // Approximate sin(x/Pi)
4110     symbol x("x");
4111     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4112
4113     // Evaluate numerically at x=0.1
4114     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4115
4116     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4117     if (is_a<numeric>(f)) @{
4118         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4119         cout << d << endl;
4120          // -> 0.0318256
4121     @} else
4122         // error
4123 @}
4124 @end example
4125
4126
4127 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4128 @c    node-name, next, previous, up
4129 @section Substituting expressions
4130 @cindex @code{subs()}
4131
4132 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4133 expressions via the @code{.subs()} method:
4134
4135 @example
4136 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4137 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4138 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4139 @end example
4140
4141 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4142 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4143
4144 @example
4145 @{
4146     symbol x("x"), y("y");
4147
4148     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4149     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4150      // -> 73
4151
4152     ex e2 = x*y + x;
4153     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4154      // -> -10
4155 @}
4156 @end example
4157
4158 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4159 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4160
4161 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4162 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4163 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4164 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4165 be substituted is large or unknown.
4166
4167 Using this form, the second example from above would look like this:
4168
4169 @example
4170 @{
4171     symbol x("x"), y("y");
4172     ex e2 = x*y + x;
4173
4174     exmap m;
4175     m[x] = -2;
4176     m[y] = 4;
4177     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4178 @}
4179 @end example
4180
4181 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4182 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4183 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4184
4185 @example
4186 @{
4187     symbol x("x"), y("y");
4188     ex e2 = x*y + x;
4189
4190     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4191 @}
4192 @end example
4193
4194 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4195 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4196 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4197 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4198 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4199 algebraic substitutions in products and powers.
4200 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4201 about patterns and algebraic substitutions.
4202
4203 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4204 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4205 following example:
4206
4207 @example
4208 @{
4209     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4210
4211     ex e1 = pow(x+y, 2);
4212     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4213      // -> 16
4214
4215     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4216     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4217      // -> cos(x)^2*sin(y)
4218
4219     ex e3 = x+y+z;
4220     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4221      // -> x+y+z
4222      // (and not 4+z as one might expect)
4223 @}
4224 @end example
4225
4226 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4227 next section.
4228
4229
4230 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4231 @c    node-name, next, previous, up
4232 @section Pattern matching and advanced substitutions
4233 @cindex @code{wildcard} (class)
4234 @cindex Pattern matching
4235
4236 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4237 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4238 substituting expressions in a more general way.
4239
4240 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4241 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4242 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4243 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4244 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4245 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4246 with the call
4247
4248 @example
4249 ex wild(unsigned label = 0);
4250 @end example
4251
4252 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4253 name.
4254
4255 Some examples for patterns:
4256
4257 @multitable @columnfractions .5 .5
4258 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4259 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4260 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4261 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4262 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4263 @end multitable
4264
4265 Notes:
4266
4267 @itemize
4268 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4269   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4270 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4271   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4272   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4273 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4274   possible to use them as placeholders for other properties like index
4275   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4276   etc.
4277 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4278   as part of noncommutative products.
4279 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4280   are also valid patterns.
4281 @end itemize
4282
4283 @subsection Matching expressions
4284 @cindex @code{match()}
4285 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4286 matches a given pattern. This is done by the function
4287
4288 @example
4289 bool ex::match(const ex & pattern);
4290 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4291 @end example
4292
4293 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4294 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4295 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4296 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4297 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4298 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4299 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4300 expressions by passing in the result of a previous match.
4301
4302 The matching algorithm works as follows:
4303
4304 @itemize
4305 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4306   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4307   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4308   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4309 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4310   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4311   etc.).
4312 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4313   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4314 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4315   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4316   of the pattern.
4317 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4318   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4319 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4320   match the corresponding subexpression of the pattern.
4321 @end itemize
4322
4323 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4324 account for their commutativity and associativity:
4325
4326 @itemize
4327 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4328   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4329   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4330   way.
4331 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4332   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4333   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4334   further matches.
4335 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4336   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4337   which case this wildcard matches the remaining terms.
4338 @end itemize
4339
4340 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4341 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4342 ambiguous results.
4343
4344 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4345 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4346 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4347
4348 @example
4349 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4350 @{@}
4351 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4352 FAIL
4353 > match((x+y)^a,$1^$2);
4354 @{$1==x+y,$2==a@}
4355 > match((x+y)^a,$1^$1);
4356 FAIL
4357 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4358 @{$1==x+y@}
4359 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4360 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4361 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4362 @{$1==a@}
4363 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4364 @{$1==b,$2==c@}
4365   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4366 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4367   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4368    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4369    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4370    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4371    fail.)
4372 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4373   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4374    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4375 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4376 FAIL
4377 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4378 @{$0==a+e+b+f+d@}
4379 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4380 @{$0==a+b+f+d@}
4381 > match(a+b,a+b+$0);
4382 @{$0==0@}
4383 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4384 FAIL
4385   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4386    even though a==a^1.)
4387 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4388 @{$0==x@}
4389 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4390 @{$0==x^2@}
4391 @end example
4392
4393 @subsection Matching parts of expressions
4394 @cindex @code{has()}
4395 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4396 member function
4397
4398 @example
4399 bool ex::has(const ex & pattern);
4400 @end example
4401
4402 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4403 by any of its subexpressions.
4404
4405 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4406 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4407
4408 @example
4409 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4410 1
4411 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4412 0
4413   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4414    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4415 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4416 1
4417   (But this is possible.)
4418 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4419 0
4420   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4421    which "x+y" is not a subexpression.)
4422 > has(x+1,x^$1);
4423 0
4424   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4425    "x^something".)
4426 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4427 1
4428 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4429 0
4430   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4431    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4432    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4433 @end example
4434
4435 @cindex @code{find()}
4436 The method
4437
4438 @example
4439 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4440 @end example
4441
4442 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4443 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4444 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4445 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4446 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4447
4448 @example
4449 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4450 @{x@}
4451 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4452 @{@}
4453 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4454 @{x^3,x^2@}
4455   (Note the absence of "x".)
4456 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4457 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4458 > find(%,sin($1));
4459 @{sin(y),sin(x)@}
4460 @end example
4461
4462 @subsection Substituting expressions
4463 @cindex @code{subs()}
4464 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4465 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4466 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4467 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4468 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4469
4470 Some examples:
4471
4472 @example
4473 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4474 b^3+a^3+(x+y)^3
4475 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4476 b^4+a^4+(x+y)^4
4477 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4478 (a+b+c)^2
4479 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4480 (x+c)^2
4481 > subs(a+2*b,a+b==x);
4482 a+2*b
4483 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4484 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4485 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4486 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4487 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4488 cos(1+cos(x))
4489 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4490 a+b
4491 @end example
4492
4493 The last example would be written in C++ in this way:
4494
4495 @example
4496 @{
4497     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4498     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4499     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4500     cout << e.expand() << endl;
4501      // -> a+b
4502 @}
4503 @end example
4504
4505 @subsection Algebraic substitutions
4506 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4507 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4508 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4509 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4510 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4511 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4512 powers.
4513
4514 An example clarifies it all (hopefully):
4515
4516 @example
4517 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4518                                         subs_options::algebraic) << endl;
4519 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4520
4521 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4522 // --> (c+b+a)^2
4523 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4524
4525 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4526                                                                       << endl;
4527 // --> (x+c)^2
4528 // As I said: addition is just the same.
4529
4530 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4531 // --> x^3*b*a^2+2*b
4532
4533 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4534                                                                        << endl;
4535 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4536
4537 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4538 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4539
4540 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4541                                 subs_options::algebraic) << endl;
4542 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4543 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4544 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4545
4546 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4547                                 subs_options::algebraic) << endl;
4548 // --> cos(1+cos(x))
4549
4550 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4551         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4552                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4553 // --> b+a
4554 @end example
4555
4556
4557 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4558 @c    node-name, next, previous, up
4559 @section Applying a Function on Subexpressions
4560 @cindex tree traversal
4561 @cindex @code{map()}
4562
4563 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4564 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4565 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4566 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4567 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4568 to do this manually which usually results in code like this:
4569
4570 @example
4571 ex calc_trace(ex e)
4572 @{
4573     if (is_a<matrix>(e))
4574         return ex_to<matrix>(e).trace();
4575     else if (is_a<add>(e)) @{
4576         ex sum = 0;
4577         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4578             sum += calc_trace(e.op(i));
4579         return sum;
4580     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4581         ...
4582     @} else @{
4583         ...
4584     @}
4585 @}
4586 @end example
4587
4588 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4589 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4590 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4591 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4592 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4593
4594 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4595 operations:
4596
4597 @example
4598 ex ex::map(map_function & f) const;
4599 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4600 @end example
4601
4602 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4603 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4604 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4605 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4606 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4607 non-recursively.
4608
4609 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4610 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4611 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4612 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4613 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4614
4615 @example
4616 struct calc_trace : public map_function @{
4617     ex operator()(const ex &e)
4618     @{
4619         if (is_a<matrix>(e))
4620             return ex_to<matrix>(e).trace();
4621         else if (is_a<mul>(e)) @{
4622             ...
4623         @} else
4624             return e.map(*this);
4625     @}
4626 @};
4627 @end example
4628
4629 This function object could then be used like this:
4630
4631 @example
4632 @{
4633     ex M = ... // expression with matrices
4634     calc_trace do_trace;
4635     ex tr = do_trace(M);
4636 @}
4637 @end example
4638
4639 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4640 terms in a variable from an expanded polynomial:
4641
4642 @example
4643 struct map_rem_quad : public map_function @{
4644     ex var;
4645     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4646
4647     ex operator()(const ex & e)
4648     @{
4649         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4650             return e.map(*this);
4651         else if (is_a<power>(e) && 
4652                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4653             return 0;
4654         else
4655             return e;
4656     @}
4657 @};
4658
4659 ...
4660
4661 @{
4662     symbol x("x"), y("y");
4663
4664     ex e;
4665     for (int i=0; i<8; i++)
4666         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4667     cout << e << endl;
4668      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
4669
4670     map_rem_quad rem_quad(x);
4671     cout << rem_quad(e) << endl;
4672      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4673 @}
4674 @end example
4675
4676 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4677 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4678 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4679 acts as the placeholder for the operands:
4680
4681 @example
4682 > map(a*b,sin($0));
4683 sin(a)*sin(b)
4684 > map(a+2*b,sin($0));
4685 sin(a)+sin(2*b)
4686 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4687 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4688 @end example
4689
4690 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4691 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4692 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4693
4694 @example
4695 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4696 @{0,0,0@}
4697   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4698   to "map(@{a,b,c@},0)".
4699 @end example
4700
4701
4702 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4703 @c    node-name, next, previous, up
4704 @section Visitors and Tree Traversal
4705 @cindex tree traversal
4706 @cindex @code{visitor} (class)
4707 @cindex @code{accept()}
4708 @cindex @code{visit()}
4709 @cindex @code{traverse()}
4710 @cindex @code{traverse_preorder()}
4711 @cindex @code{traverse_postorder()}
4712
4713 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4714 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4715 indices with variance you always want the covariant version returned.
4716
4717 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4718 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4719 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4720 with variance, one for plain ones).
4721
4722 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4723 such as the following:
4724
4725 @example
4726 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4727 @{
4728     if (is_a<varidx>(e)) @{
4729         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4730         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4731     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4732         l.append(e);
4733     @} else @{
4734         size_t n = e.nops();
4735         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4736             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4737     @}
4738 @}
4739
4740 lst gather_indices(const ex & e)
4741 @{
4742     lst l;
4743     gather_indices_helper(e, l);
4744     l.sort();
4745     l.unique();
4746     return l;
4747 @}
4748 @end example
4749
4750 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4751 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4752 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4753
4754 @example
4755     if (is_a<idx>(e)) @{
4756       ...
4757     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4758       ...
4759 @end example
4760
4761 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4762 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4763 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4764 executed.
4765
4766 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4767 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4768 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4769 write a function that required a different implementation for nearly
4770 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4771
4772 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4773 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4774 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4775 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4776 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4777 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4778 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4779 presented this would be impractical.
4780
4781 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4782 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4783 variation, described in detail in
4784 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4785 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4786 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4787 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4788 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4789 object that @code{accept()} was being invoked on.
4790
4791 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4792 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4793 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4794 each class.
4795
4796 A call of
4797
4798 @example
4799 void ex::accept(visitor & v) const;
4800 @end example
4801
4802 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4803 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4804 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4805
4806 Here is an example of a visitor:
4807
4808 @example
4809 class my_visitor
4810  : public visitor,          // this is required
4811    public add::visitor,     // visit add objects
4812    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4813    public basic::visitor    // visit basic objects
4814 @{
4815     void visit(const add & x)
4816     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4817
4818     void visit(const numeric & x)
4819     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4820
4821     void visit(const basic & x)
4822     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4823 @};
4824 @end example
4825
4826 which can be used as follows:
4827
4828 @example
4829 ...
4830     symbol x("x");
4831     ex e1 = 42;
4832     ex e2 = 4*x-3;
4833     ex e3 = 8*x;
4834
4835     my_visitor v;
4836     e1.accept(v);
4837      // prints "called with a numeric object"
4838     e2.accept(v);
4839      // prints "called with an add object"
4840     e3.accept(v);
4841      // prints "called with a basic object"
4842 ...
4843 @end example
4844
4845 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4846 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4847
4848 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4849 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4850 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4851 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4852 hierarchies of visitors.
4853
4854 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4855
4856 @example
4857 class gather_indices_visitor
4858  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4859 @{
4860     lst l;
4861
4862     void visit(const idx & i)
4863     @{
4864         l.append(i);
4865     @}
4866
4867     void visit(const varidx & vi)
4868     @{
4869         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4870     @}
4871
4872 public:
4873     const lst & get_result() // utility function
4874     @{
4875         l.sort();
4876         l.unique();
4877         return l;
4878     @}
4879 @};
4880 @end example
4881
4882 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4883 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4884
4885 @example
4886 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4887 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4888 void ex::traverse(visitor & v) const;
4889 @end example
4890
4891 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4892 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4893 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4894 @code{traverse_preorder()}.
4895
4896 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4897 and @code{traverse()}:
4898
4899 @example
4900 lst gather_indices(const ex & e)
4901 @{
4902     gather_indices_visitor v;
4903     e.traverse(v);
4904     return v.get_result();
4905 @}
4906 @end example
4907
4908 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4909 traversal:
4910
4911 @example
4912 lst gather_indices(const ex & e)
4913 @{
4914     gather_indices_visitor v;
4915     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4916          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4917         i->accept(v);
4918     @}
4919     return v.get_result();
4920 @}
4921 @end example
4922
4923
4924 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4925 @c    node-name, next, previous, up
4926 @section Polynomial arithmetic
4927
4928 @subsection Expanding and collecting
4929 @cindex @code{expand()}
4930 @cindex @code{collect()}
4931 @cindex @code{collect_common_factors()}
4932
4933 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4934 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4935 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4936 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4937 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4938 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4939 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4940 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4941 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4942 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4943 x*z}.
4944
4945 To bring an expression into expanded form, its method
4946
4947 @example
4948 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4949 @end example
4950
4951 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4952 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4953 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4954 orderings of terms in such sums!
4955
4956 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4957 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4958 being polynomials in the remaining variables.  The method
4959 @code{collect()} accomplishes this task:
4960
4961 @example
4962 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4963 @end example
4964
4965 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4966 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4967 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4968 by the @code{distributed} flag.
4969
4970 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4971 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4972 coefficients properly.
4973
4974 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4975 together with @code{find()}:
4976
4977 @example
4978 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4979 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)
4980 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4981 > collect(a,@{p,q@});
4982 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
4983 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4984 > collect(a,find(a,sin($1)));
4985 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4986 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4987 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4988 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4989 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4990 @end example
4991
4992 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4993 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4994
4995 @example
4996 ex collect_common_factors(const ex & e);
4997 @end example
4998
4999 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5000 factors which are already explicitly present:
5001
5002 @example
5003 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5004 (x+y)*a
5005 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5006 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5007 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5008 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5009 @end example
5010
5011 @subsection Degree and coefficients
5012 @cindex @code{degree()}
5013 @cindex @code{ldegree()}
5014 @cindex @code{coeff()}
5015
5016 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5017 methods
5018
5019 @example
5020 int ex::degree(const ex & s);
5021 int ex::ldegree(const ex & s);
5022 @end example
5023
5024 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5025 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5026 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5027 an expanded polynomial you use
5028
5029 @example
5030 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5031 @end example
5032
5033 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5034
5035 @example
5036 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5037 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5038 @end example
5039
5040 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5041 respectively.
5042
5043 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5044 polynomial is analyzed:
5045
5046 @example
5047 @{
5048     symbol x("x"), y("y");
5049     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5050                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5051     ex Poly = PolyInp.expand();
5052     
5053     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5054         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5055              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5056     @}
5057     cout << "As polynomial in y: " 
5058          << Poly.collect(y) << endl;
5059 @}
5060 @end example
5061
5062 When run, it returns an output in the following fashion:
5063
5064 @example
5065 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5066 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5067 The x^2-coefficient is -1
5068 The x^3-coefficient is 4*y
5069 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5070 @end example
5071
5072 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5073 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5074 within the user's sphere of influence.
5075
5076 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5077 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5078 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5079 constants, functions and indexed objects as well:
5080
5081 @example
5082 @{
5083     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5084     idx i(symbol("i"), 3);
5085
5086     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5087     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5088      // -> 4
5089     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5090      // -> -4*cos(x)
5091
5092     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5093     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5094     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5095      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5096 @}
5097 @end example
5098
5099
5100 @subsection Polynomial division
5101 @cindex polynomial division
5102 @cindex quotient
5103 @cindex remainder
5104 @cindex pseudo-remainder
5105 @cindex @code{quo()}
5106 @cindex @code{rem()}
5107 @cindex @code{prem()}
5108 @cindex @code{divide()}
5109
5110 The two functions
5111
5112 @example
5113 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5114 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5115 @end example
5116
5117 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5118 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5119
5120 The additional function
5121
5122 @example
5123 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5124 @end example
5125
5126 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5127 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5128
5129 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5130
5131 @example
5132 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5133 @end example
5134
5135 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5136 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5137 in which case the value of @code{q} is undefined.
5138
5139
5140 @subsection Unit, content and primitive part
5141 @cindex @code{unit()}
5142 @cindex @code{content()}
5143 @cindex @code{primpart()}
5144 @cindex @code{unitcontprim()}
5145
5146 The methods
5147
5148 @example
5149 ex ex::unit(const ex & x);
5150 ex ex::content(const ex & x);
5151 ex ex::primpart(const ex & x);
5152 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5153 @end example
5154
5155 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5156 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5157 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5158 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5159 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5160 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5161 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5162 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5163
5164 Additionally, the method
5165
5166 @example
5167 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5168 @end example
5169
5170 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5171 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5172
5173
5174 @subsection GCD, LCM and resultant
5175 @cindex GCD
5176 @cindex LCM
5177 @cindex @code{gcd()}
5178 @cindex @code{lcm()}
5179
5180 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5181 multiple have the synopsis
5182
5183 @example
5184 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5185 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5186 @end example
5187
5188 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5189 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5190 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5191 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5192 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5193 the coefficients must be rationals.
5194
5195 @example
5196 #include <ginac/ginac.h>
5197 using namespace GiNaC;
5198
5199 int main()
5200 @{
5201     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5202     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5203     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5204
5205     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5206     // x + 5*y + 4*z
5207     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5208     // 4*x*y^2 + 13*y*x*z + 20*y^3 + 81*y^2*z + 67*y*z^2 + 3*x*z^2 + 12*z^3
5209 @}
5210 @end example
5211
5212 @cindex resultant
5213 @cindex @code{resultant()}
5214
5215 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5216 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5217 expressions. The function has the interface
5218
5219 @example
5220 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5221 @end example
5222
5223 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5224 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5225 @code{y}, respectively:
5226
5227 @example
5228 #include <ginac/ginac.h>
5229 using namespace GiNaC;
5230
5231 int main()
5232 @{
5233     symbol x("x"), y("y");
5234
5235     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5236     ex r;
5237     
5238     r = resultant(e1, e2, x); 
5239     // -> 1+2*y^6
5240     r = resultant(e1, e2, y); 
5241     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5242 @}
5243 @end example
5244
5245 @subsection Square-free decomposition
5246 @cindex square-free decomposition
5247 @cindex factorization
5248 @cindex @code{sqrfree()}
5249
5250 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5251 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5252 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5253 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5254 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5255 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5256 one, too:
5257 @example
5258 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5259 @end example
5260 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5261 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5262 some care with subsequent processing of the result:
5263 @example
5264     ...
5265     symbol x("x"), y("y");
5266     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5267
5268     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5269      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5270
5271     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5272      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5273
5274     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5275      // -> depending on luck, any of the above
5276     ...
5277 @end example
5278 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5279 with this method.
5280
5281
5282 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5283 @c    node-name, next, previous, up
5284 @section Rational expressions
5285
5286 @subsection The @code{normal} method
5287 @cindex @code{normal()}
5288 @cindex simplification
5289 @cindex temporary replacement
5290
5291 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5292 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5293 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5294 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5295 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5296 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5297
5298 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5299 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5300 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5301 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5302 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5303 @code{.to_rational()}, described below.
5304
5305 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5306 simplified in this little code snippet:
5307
5308 @example
5309 @{
5310     symbol x("x");
5311     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5312     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5313     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5314     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5315 @}
5316 @end example
5317
5318 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5319 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5320 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5321
5322
5323 @subsection Numerator and denominator
5324 @cindex numerator
5325 @cindex denominator
5326 @cindex @code{numer()}
5327 @cindex @code{denom()}
5328 @cindex @code{numer_denom()}
5329
5330 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5331
5332 @example
5333 ex ex::numer();
5334 ex ex::denom();
5335 ex ex::numer_denom();
5336 @end example
5337
5338 These functions will first normalize the expression as described above and
5339 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5340 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5341 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5342
5343
5344 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5345 @cindex @code{to_polynomial()}
5346 @cindex @code{to_rational()}
5347
5348 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5349 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5350 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5351 above. You do this by calling
5352
5353 @example
5354 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5355 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5356 @end example
5357 or
5358 @example
5359 ex ex::to_rational(exmap & m);
5360 ex ex::to_rational(lst & l);
5361 @end example
5362
5363 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5364 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5365 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5366 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5367 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5368 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5369
5370 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5371 is probably best illustrated with an example:
5372
5373 @example
5374 @{
5375     symbol x("x"), y("y");
5376     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5377     cout << a << endl;
5378
5379     lst lp;
5380     ex p = a.to_polynomial(lp);
5381     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5382      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5383      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5384
5385     lst lr;
5386     ex r = a.to_rational(lr);
5387     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5388      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5389      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5390 @}
5391 @end example
5392
5393 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5394
5395 @example
5396 @{
5397     symbol x("x");
5398     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5399     ex b = sin(x) + cos(x);
5400     ex q;
5401     exmap m;
5402     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5403     cout << q.subs(m) << endl;
5404 @}
5405 @end example
5406
5407
5408 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5409 @c    node-name, next, previous, up
5410 @section Symbolic differentiation
5411 @cindex differentiation
5412 @cindex @code{diff()}
5413 @cindex chain rule
5414 @cindex product rule
5415
5416 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5417 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5418 the derivatives of all the monomials:
5419
5420 @example
5421 @{
5422     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5423     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5424
5425     cout << P.diff(x,2) << endl;
5426      // -> 20*x^3 + 2
5427     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5428      // -> 1
5429     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5430      // -> 0
5431 @}
5432 @end example
5433
5434 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5435 returns the @var{n}th derivative.
5436
5437 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5438 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5439 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5440 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5441 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5442 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5443 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5444 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5445 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5446 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5447 lines:
5448
5449 @cindex Euler numbers
5450 @example
5451 #include <ginac/ginac.h>
5452 using namespace GiNaC;
5453
5454 ex EulerNumber(unsigned n)
5455 @{
5456     symbol x;
5457     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5458     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5459 @}
5460
5461 int main()
5462 @{
5463     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5464         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5465     return 0;
5466 @}
5467 @end example
5468
5469 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5470 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5471 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5472
5473
5474 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5475 @c    node-name, next, previous, up
5476 @section Series expansion
5477 @cindex @code{series()}
5478 @cindex Taylor expansion
5479 @cindex Laurent expansion
5480 @cindex @code{pseries} (class)
5481 @cindex @code{Order()}
5482
5483 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5484 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5485 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5486 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5487 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5488 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5489 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5490 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5491 term).  A sample application from special relativity could read:
5492
5493 @example
5494 #include <ginac/ginac.h>
5495 using namespace std;
5496 using namespace GiNaC;
5497
5498 int main()
5499 @{
5500     symbol v("v"), c("c");
5501     
5502     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5503     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5504     
5505     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5506          << mass_nonrel << endl;
5507     
5508     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5509          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5510 @}
5511 @end example
5512
5513 Only calling the series method makes the last output simplify to
5514 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5515 series raised to the power @math{-2}.
5516
5517 @cindex Machin's formula
5518 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5519 value of Archimedes' constant
5520 @tex
5521 $\pi$
5522 @end tex
5523 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5524 using John Machin's amazing formula
5525 @tex
5526 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5527 @end tex
5528 @ifnottex
5529 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5530 @end ifnottex
5531 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5532 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5533 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5534 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5535 order term with it and the question arises what the system is supposed
5536 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5537 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5538 term off:
5539
5540 @example
5541 #include <ginac/ginac.h>
5542 using namespace GiNaC;
5543
5544 ex machin_pi(int degr)
5545 @{
5546     symbol x;
5547     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5548     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5549                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5550     return pi_approx;
5551 @}
5552
5553 int main()
5554 @{
5555     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5556     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5557     ex pi_frac;
5558     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5559         pi_frac = machin_pi(i);
5560         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5561              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5562     @}
5563     return 0;
5564 @}
5565 @end example
5566
5567 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5568 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5569 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5570 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5571 program, it will type out:
5572
5573 @example
5574 2:      3804/1195
5575         3.1832635983263598326
5576 4:      5359397032/1706489875
5577         3.1405970293260603143
5578 6:      38279241713339684/12184551018734375
5579         3.141621029325034425
5580 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5581         3.141591772182177295
5582 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5583         3.1415926824043995174
5584 @end example
5585
5586
5587 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5588 @c    node-name, next, previous, up
5589 @section Symmetrization
5590 @cindex @code{symmetrize()}
5591 @cindex @code{antisymmetrize()}
5592 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5593
5594 The three methods
5595
5596 @example
5597 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5598 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5599 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5600 @end example
5601
5602 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5603 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5604 weighted by the number of permutations.
5605
5606 The three additional methods
5607
5608 @example
5609 ex ex::symmetrize();
5610 ex ex::antisymmetrize();
5611 ex ex::symmetrize_cyclic();
5612 @end example
5613
5614 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5615
5616 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5617 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5618
5619 @example
5620 @{
5621     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5622     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5623                                            
5624     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5625      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5626     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5627      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5628     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5629      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5630 @}
5631 @end example
5632
5633 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5634 @c    node-name, next, previous, up
5635 @section Predefined mathematical functions
5636 @c
5637 @subsection Overview
5638
5639 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5640
5641 @cartouche
5642 @multitable @columnfractions .30 .70
5643 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5644 @item @code{abs(x)}
5645 @tab absolute value
5646 @cindex @code{abs()}
5647 @item @code{csgn(x)}
5648 @tab complex sign
5649 @cindex @code{conjugate()}
5650 @item @code{conjugate(x)}
5651 @tab complex conjugation
5652 @cindex @code{csgn()}
5653 @item @code{sqrt(x)}
5654 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5655 @cindex @code{sqrt()}
5656 @item @code{sin(x)}
5657 @tab sine
5658 @cindex @code{sin()}
5659 @item @code{cos(x)}
5660 @tab cosine
5661 @cindex @code{cos()}
5662 @item @code{tan(x)}
5663 @tab tangent
5664 @cindex @code{tan()}
5665 @item @code{asin(x)}
5666 @tab inverse sine
5667 @cindex @code{asin()}
5668 @item @code{acos(x)}
5669 @tab inverse cosine
5670 @cindex @code{acos()}
5671 @item @code{atan(x)}
5672 @tab inverse tangent
5673 @cindex @code{atan()}
5674 @item @code{atan2(y, x)}
5675 @tab inverse tangent with two arguments
5676 @item @code{sinh(x)}
5677 @tab hyperbolic sine
5678 @cindex @code{sinh()}
5679 @item @code{cosh(x)}
5680 @tab hyperbolic cosine
5681 @cindex @code{cosh()}
5682 @item @code{tanh(x)}
5683 @tab hyperbolic tangent
5684 @cindex @code{tanh()}
5685 @item @code{asinh(x)}
5686 @tab inverse hyperbolic sine
5687 @cindex @code{asinh()}
5688 @item @code{acosh(x)}
5689 @tab inverse hyperbolic cosine
5690 @cindex @code{acosh()}
5691 @item @code{atanh(x)}
5692 @tab inverse hyperbolic tangent
5693 @cindex @code{atanh()}
5694 @item @code{exp(x)}
5695 @tab exponential function
5696 @cindex @code{exp()}
5697 @item @code{log(x)}
5698 @tab natural logarithm
5699 @cindex @code{log()}
5700 @item @code{Li2(x)}
5701 @tab dilogarithm
5702 @cindex @code{Li2()}
5703 @item @code{Li(m, x)}
5704 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5705 @cindex @code{Li()}
5706 @item @code{G(a, y)}
5707 @tab multiple polylogarithm
5708 @cindex @code{G()}
5709 @item @code{G(a, s, y)}
5710 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5711 @cindex @code{G()}
5712 @item @code{S(n, p, x)}
5713 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5714 @cindex @code{S()}
5715 @item @code{H(m, x)}
5716 @tab harmonic polylogarithm
5717 @cindex @code{H()}
5718 @item @code{zeta(m)}
5719 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5720 @cindex @code{zeta()}
5721 @item @code{zeta(m, s)}
5722 @tab alternating Euler sum
5723 @cindex @code{zeta()}
5724 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5725 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5726 @item @code{tgamma(x)}
5727 @tab gamma function
5728 @cindex @code{tgamma()}
5729 @cindex gamma function
5730 @item @code{lgamma(x)}
5731 @tab logarithm of gamma function
5732 @cindex @code{lgamma()}
5733 @item @code{beta(x, y)}
5734 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5735 @cindex @code{beta()}
5736 @item @code{psi(x)}
5737 @tab psi (digamma) function
5738 @cindex @code{psi()}
5739 @item @code{psi(n, x)}
5740 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5741 @item @code{factorial(n)}
5742 @tab factorial function @math{n!}
5743 @cindex @code{factorial()}
5744 @item @code{binomial(n, k)}
5745 @tab binomial coefficients
5746 @cindex @code{binomial()}
5747 @item @code{Order(x)}
5748 @tab order term function in truncated power series
5749 @cindex @code{Order()}
5750 @end multitable
5751 @end cartouche
5752
5753 @cindex branch cut
5754 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5755 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5756 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5757 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5758 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5759 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5760 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5761 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5762 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5763 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5764 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5765 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5766 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5767 compatible with C99.
5768
5769 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5770 @c    node-name, next, previous, up
5771 @subsection Multiple polylogarithms
5772
5773 @cindex polylogarithm
5774 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5775 @cindex harmonic polylogarithm
5776 @cindex multiple zeta value
5777 @cindex alternating Euler sum
5778 @cindex multiple polylogarithm
5779
5780 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5781 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5782 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5783 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5784 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5785 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5786 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5787 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5788 notations are more natural to the series representation or the integral
5789 representation, respectively.
5790
5791 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5792 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5793 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5794
5795 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5796 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5797 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5798 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5799 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5800 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5801 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5802 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5803 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5804 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5805 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5806
5807 The functions print in LaTeX format as
5808 @tex
5809 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5810 @end tex
5811 @tex
5812 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5813 @end tex
5814 @tex
5815 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5816 @end tex
5817 @tex
5818 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5819 @end tex
5820 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5821 are printed with a line above, e.g.
5822 @tex
5823 $\zeta(5,\overline{2})$.
5824 @end tex
5825 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5826
5827 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5828 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5829 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5830 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5831
5832 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5833 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5834 the series representation. This means
5835 @tex
5836 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5837 @end tex
5838 @tex
5839 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5840 @end tex
5841 @tex
5842 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5843 @end tex
5844 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5845 is reversed.
5846
5847 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5848 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5849 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5850 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5851 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5852 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5853 @tex
5854 $\zeta(\overline{3},4)$
5855 @end tex
5856 and
5857 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5858 @tex
5859 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5860 @end tex
5861 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5862 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5863 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5864 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5865 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5866 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5867 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5868
5869 @example
5870 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5871 S(2,2,x)
5872 > H(@{-3,2@},1);
5873 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5874 > S(3,1,1);
5875 1/90*Pi^4
5876 @end example
5877
5878 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5879 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5880 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5881 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5882 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5883 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5884
5885 @example
5886 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5887 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5888 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5889 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5890 @end example
5891
5892 Every function can be numerically evaluated for
5893 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5894 global variable @code{Digits}:
5895
5896 @example
5897 > Digits=100;
5898 100
5899 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5900 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5901 @end example
5902
5903 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5904 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5905
5906 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5907 unevaluated, e.g.
5908 @tex
5909 $\zeta(1)$.
5910 @end tex
5911 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5912 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5913 cancellations of divergencies happen.
5914
5915 Useful publications:
5916
5917 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5918 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5919
5920 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5921 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5922
5923 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5924 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5925
5926 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
5927 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
5928
5929 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5930 @c    node-name, next, previous, up
5931 @section Complex Conjugation
5932 @c
5933 @cindex @code{conjugate()}
5934
5935 The method
5936
5937 @example
5938 ex ex::conjugate();
5939 @end example
5940
5941 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5942 conjugation gives the expected results:
5943
5944 @example
5945 @{
5946     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5947     symbol x("x");
5948     realsymbol y("y");
5949                                            
5950     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5951      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5952     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5953      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5954 @}
5955 @end example
5956
5957 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5958 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5959 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5960 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5961 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5962
5963 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5964 @c    node-name, next, previous, up
5965 @section Solving Linear Systems of Equations
5966 @cindex @code{lsolve()}
5967
5968 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5969 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5970 needs to be solved:
5971
5972 @example
5973 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
5974           unsigned options = solve_algo::automatic);
5975 @end example
5976
5977 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5978 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5979 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5980 @code{lst}).
5981
5982 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5983 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5984
5985 @example
5986 @{
5987     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5988     lst eqns, vars;
5989     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5990     vars = x, y;
5991     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5992      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5993 @end example
5994
5995 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5996 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5997 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5998 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5999 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6000 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6001 around that method.
6002
6003
6004 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6005 @c    node-name, next, previous, up
6006 @section Input and output of expressions
6007 @cindex I/O
6008
6009 @subsection Expression output
6010 @cindex printing
6011 @cindex output of expressions
6012
6013 Expressions can simply be written to any stream:
6014
6015 @example
6016 @{
6017     symbol x("x");
6018     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6019     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6020     // ...
6021 @end example
6022
6023 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6024 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6025 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6026 is printed as @samp{x^2}).
6027
6028 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6029 a set of stream manipulators;
6030
6031 @example
6032 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6033 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6034 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6035 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6036 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6037 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6038 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6039 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6040 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6041 @end example
6042
6043 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6044 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6045 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6046
6047 @cindex @code{dflt}
6048 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6049 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6050
6051 @example
6052     // ...
6053     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6054                               // now on
6055     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6056     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6057     cout << dflt;             // revert to default output format
6058     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6059     // ...
6060 @end example
6061
6062 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6063 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6064
6065 @example
6066     // ...
6067     ostringstream s;
6068     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6069     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6070     // ...
6071 @end example
6072
6073 @cindex @code{csrc}
6074 @cindex @code{csrc_float}
6075 @cindex @code{csrc_double}
6076 @cindex @code{csrc_cl_N}
6077 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6078 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6079 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6080 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6081 classes provided by the CLN library):
6082
6083 @example
6084     // ...
6085     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6086     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6087     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6088     // ...
6089 @end example
6090
6091 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6092 @code{x*x}):
6093
6094 @example
6095 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6096 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6097 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6098 @end example
6099
6100 @cindex @code{tree}
6101 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6102 expression for debugging purposes:
6103
6104 @example
6105     // ...
6106     cout << tree << e;
6107 @}
6108 @end example
6109
6110 produces
6111
6112 @example
6113 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6114     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6115         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6116         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6117     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6118     -----
6119     overall_coeff
6120     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6121     =====
6122 @end example
6123
6124 @cindex @code{latex}
6125 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6126 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6127 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6128 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6129 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6130 constructor.
6131
6132 For example, the code snippet
6133
6134 @example
6135 @{
6136     symbol x("x", "\\circ");
6137     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6138     cout << latex << e << endl;
6139 @}
6140 @end example
6141
6142 will print
6143
6144 @example
6145     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6146     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6147 @end example
6148
6149 @cindex @code{index_dimensions}
6150 @cindex @code{no_index_dimensions}
6151 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6152 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6153 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6154 formats:
6155
6156 @example
6157 @{
6158     symbol x("x"), y("y");
6159     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6160     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6161
6162     cout << e << endl;
6163      // prints 'x~mu*y~nu'
6164     cout << index_dimensions << e << endl;
6165      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6166     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6167      // prints 'x~mu*y~nu'
6168 @}
6169 @end example
6170
6171
6172 @cindex Tree traversal
6173 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6174 with other algebra systems or for producing code for different
6175 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6176
6177 @example
6178 static void my_print(const ex & e)
6179 @{
6180     if (is_a<function>(e))
6181         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6182     else
6183         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6184     cout << "(";
6185     size_t n = e.nops();
6186     if (n)
6187         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6188             my_print(e.op(i));
6189             if (i != n-1)
6190                 cout << ",";
6191         @}
6192     else
6193         cout << e;
6194     cout << ")";
6195 @}
6196
6197 int main()
6198 @{
6199     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6200     return 0;
6201 @}
6202 @end example
6203
6204 This will produce
6205
6206 @example
6207 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6208 symbol(y))),numeric(-2)))
6209 @end example
6210
6211 If you need an output format that makes it possible to accurately
6212 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6213 object factory, you should consider storing the expression in an
6214 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6215 See the section on archiving for more information.
6216
6217
6218 @subsection Expression input
6219 @cindex input of expressions
6220
6221 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6222 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6223 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6224 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6225 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6226
6227 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6228 list of symbols to be used:
6229
6230 @example
6231 @{
6232     symbol x("x"), y("y");
6233     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6234 @}
6235 @end example
6236
6237 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6238 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6239 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6240 the list it will throw an exception.
6241
6242 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6243
6244 @example
6245 #include <iostream>
6246 #include <string>
6247 #include <stdexcept>
6248 #include <ginac/ginac.h>
6249 using namespace std;
6250 using namespace GiNaC;
6251
6252 int main()
6253 @{
6254     symbol x("x");
6255     string s;
6256
6257     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6258     getline(cin, s);
6259
6260     try @{
6261         ex e(s, lst(x));
6262         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6263         cout << e.diff(x) << ".\n";
6264     @} catch (exception &p) @{
6265         cerr << p.what() << endl;
6266     @}
6267 @}
6268 @end example
6269
6270
6271 @subsection Archiving
6272 @cindex @code{archive} (class)
6273 @cindex archiving
6274
6275 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6276 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6277 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6278 expression a unique name:
6279
6280 @example
6281 #include <fstream>
6282 using namespace std;
6283 #include <ginac/ginac.h>
6284 using namespace GiNaC;
6285
6286 int main()
6287 @{
6288     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6289
6290     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6291     ex bar = foo + 1;
6292
6293     archive a;
6294     a.archive_ex(foo, "foo");
6295     a.archive_ex(bar, "the second one");
6296     // ...
6297 @end example
6298
6299 The archive can then be written to a file:
6300
6301 @example
6302     // ...
6303     ofstream out("foobar.gar");
6304     out << a;
6305     out.close();
6306     // ...
6307 @end example
6308
6309 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6310 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6311
6312 @cindex @command{viewgar}
6313 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6314 the contents of GiNaC archive files:
6315
6316 @example
6317 $ viewgar foobar.gar
6318 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6319 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6320 @end example
6321
6322 The point of writing archive files is of course that they can later be
6323 read in again:
6324
6325 @example
6326     // ...
6327     archive a2;
6328     ifstream in("foobar.gar");
6329     in >> a2;
6330     // ...
6331 @end example
6332
6333 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6334
6335 @example
6336     // ...
6337     lst syms;
6338     syms = x, y;
6339
6340     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6341     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6342
6343     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6344     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6345     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6346 @}
6347 @end example
6348
6349 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6350 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6351 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6352 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6353 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6354 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6355 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6356 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6357
6358 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6359 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6360 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6361 functions that let you access the stored properties:
6362
6363 @example
6364 static void my_print2(const archive_node & n)
6365 @{
6366     string class_name;
6367     n.find_string("class", class_name);
6368     cout << class_name << "(";
6369
6370     archive_node::propinfovector p;
6371     n.get_properties(p);
6372
6373     size_t num = p.size();
6374     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6375         const string &name = p[i].name;
6376         if (name == "class")
6377             continue;
6378         cout << name << "=";
6379
6380         unsigned count = p[i].count;
6381         if (count > 1)
6382             cout << "@{";
6383
6384         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6385             switch (p[i].type) @{
6386                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6387                     bool x;
6388                     n.find_bool(name, x, j);
6389                     cout << (x ? "true" : "false");
6390                     break;
6391                 @}
6392                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6393                     unsigned x;
6394                     n.find_unsigned(name, x, j);
6395                     cout << x;
6396                     break;
6397                 @}
6398                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6399                     string x;
6400                     n.find_string(name, x, j);
6401                     cout << '\"' << x << '\"';
6402                     break;
6403                 @}
6404                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6405                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6406                     my_print2(x);
6407                     break;
6408                 @}
6409             @}
6410
6411             if (j != count-1)
6412                 cout << ",";
6413         @}
6414
6415         if (count > 1)
6416             cout << "@}";
6417
6418         if (i != num-1)
6419             cout << ",";
6420     @}
6421
6422     cout << ")";
6423 @}
6424
6425 int main()
6426 @{
6427     ex e = pow(2, x) - y;
6428     archive ar(e, "e");
6429     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6430     return 0;
6431 @}
6432 @end example
6433
6434 This will produce:
6435
6436 @example
6437 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6438 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6439 overall_coeff=numeric(number="0"))
6440 @end example
6441
6442 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6443 class may change between GiNaC versions.
6444
6445
6446 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6447 @c    node-name, next, previous, up
6448 @chapter Extending GiNaC
6449
6450 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6451 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6452 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6453 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6454 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6455 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6456
6457 @menu
6458 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6459 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6460 * Printing::                         Adding new output formats.
6461 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6462 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6463 @end menu
6464
6465
6466 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6467 @c    node-name, next, previous, up
6468 @section What doesn't belong into GiNaC
6469
6470 @cindex @command{ginsh}
6471 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6472 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6473 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6474 language.  There are no loops or conditional expressions in
6475 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6476 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6477 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6478 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6479 the future.
6480
6481 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6482 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6483 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6484 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6485 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6486 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6487 provided by CLN are much better suited.
6488
6489
6490 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6491 @c    node-name, next, previous, up
6492 @section Symbolic functions
6493
6494 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6495 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6496 two preprocessor macros:
6497
6498 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6499 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6500 @example
6501 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6502 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6503 @end example
6504
6505 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6506 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6507 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6508 @code{function} object that represents your function.
6509
6510 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6511 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6512 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6513 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6514 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6515 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6516 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6517 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6518
6519 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6520 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6521 done our best to avoid macros where we can.)
6522
6523 @subsection A minimal example
6524
6525 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6526 that is not further evaluated:
6527
6528 @example
6529 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6530
6531 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6532 @end example
6533
6534 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6535 in algebraic expressions:
6536
6537 @example
6538 @{
6539     ...
6540     symbol x("x");
6541     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6542     cout << e << endl;
6543      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6544     ...
6545 @}
6546 @end example
6547
6548 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6549 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6550 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6551 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6552
6553 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6554 example of how to make an "intelligent" function.
6555
6556 @subsection The cosine function
6557
6558 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6559
6560 @example
6561 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6562 @end example
6563
6564 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6565 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6566 this function in expressions.
6567
6568 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6569 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6570
6571 @example
6572 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6573                        evalf_func(cos_evalf).
6574                        derivative_func(cos_deriv).
6575                        latex_name("\\cos"));
6576 @end example
6577
6578 There are four options defined for the cosine function. One of them
6579 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6580 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6581 function are defined.
6582
6583 @cindex @code{hold()}
6584 @cindex evaluation
6585 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6586 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6587 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6588 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6589 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6590 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6591 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6592 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6593 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6594 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6595 somewhere.
6596
6597 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6598 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6599 what is going on):
6600
6601 @example
6602 static ex cos_eval(const ex & x)
6603 @{
6604     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6605         return 1;
6606     else if ("x is a multiple of Pi")
6607         return -1;
6608     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6609         return 0;
6610     // more rules...
6611
6612     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6613         return y;
6614     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6615         return sqrt(1-y^2);
6616     // more rules...
6617
6618     else
6619         return cos(x).hold();
6620 @}
6621 @end example
6622
6623 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6624
6625 @example
6626 @{
6627     ...
6628     e = cos(Pi);
6629      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6630      // the actual expression
6631     cout << e << endl;
6632      // prints '-1'
6633     ...
6634 @}
6635 @end example
6636
6637 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6638 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6639 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6640 with @code{.hold()}.
6641
6642 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6643 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6644 different function:
6645
6646 @example
6647 static ex cos_evalf(const ex & x)
6648 @{
6649     if (is_a<numeric>(x))
6650         return cos(ex_to<numeric>(x));
6651     else
6652         return cos(x).hold();
6653 @}
6654 @end example
6655
6656 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6657 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6658 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6659 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6660 function would require it in this place.
6661
6662 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6663 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6664 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6665 @code{ex::diff}):
6666
6667 @example
6668 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6669 @{
6670     return -sin(x);
6671 @}
6672 @end example
6673
6674 @cindex product rule
6675 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6676 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6677 case the function has more than one parameter, and its main application
6678 is for correct handling of the chain rule.
6679
6680 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6681 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6682 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6683 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6684
6685 @example
6686 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6687                      int order, unsigned options)
6688 @{
6689     // Find the actual expansion point
6690     const ex x_pt = x.subs(rel);
6691
6692     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6693         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6694
6695     // On a pole, expand sin()/cos()
6696     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6697 @}
6698 @end example
6699
6700 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6701 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6702
6703 @subsection Function options
6704
6705 GiNaC functions understand several more options which are always
6706 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6707 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6708 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6709 functions without any special options.
6710
6711 @example
6712 eval_func(<C++ function>)
6713 evalf_func(<C++ function>)
6714 derivative_func(<C++ function>)
6715 series_func(<C++ function>)
6716 conjugate_func(<C++ function>)
6717 @end example
6718
6719 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6720 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6721 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6722 @code{diff()} and @code{series()}.
6723
6724 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6725 automatic evaluation is desired or possible.
6726
6727 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6728 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6729 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6730 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6731 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6732 suitable transformation.
6733
6734 @example
6735 latex_name(const string & n)
6736 @end example
6737
6738 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6739 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6740
6741 @example
6742 do_not_evalf_params()
6743 @end example
6744
6745 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6746 function before calling the @code{evalf_func()}.
6747
6748 @example
6749 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6750 @end example
6751
6752 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6753 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6754 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6755 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6756 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6757 commutation properties of their first argument.
6758
6759 @example
6760 set_symmetry(const symmetry & s)
6761 @end example
6762
6763 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6764 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6765 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6766 symmetric functions into a canonical order.
6767
6768 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6769 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6770 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6771 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6772 with the
6773
6774 @example
6775 print_func<C>(<C++ function>)
6776 @end example
6777
6778 option which is explained in the next section.
6779
6780 @subsection Functions with a variable number of arguments
6781
6782 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6783 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6784 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6785 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6786 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6787
6788 It is also possible to define functions that accept a different number of
6789 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6790 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6791 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6792 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6793 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6794 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6795 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6796 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6797
6798
6799 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6800 @c    node-name, next, previous, up
6801 @section GiNaC's expression output system
6802
6803 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6804 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6805 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6806 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6807 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6808 functions.
6809
6810 @cindex @code{print_context} (class)
6811 @cindex @code{print_dflt} (class)
6812 @cindex @code{print_latex} (class)
6813 @cindex @code{print_tree} (class)
6814 @cindex @code{print_csrc} (class)
6815 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6816 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6817 header file:
6818
6819 @table @code
6820 @item print_dflt
6821 the default output format
6822 @item print_latex
6823 output in LaTeX mathematical mode
6824 @item print_tree
6825 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6826 @item print_csrc
6827 the base class for C source output
6828 @item print_csrc_float
6829 C source output using the @code{float} type
6830 @item print_csrc_double
6831 C source output using the @code{double} type
6832 @item print_csrc_cl_N
6833 C source output using CLN types
6834 @end table
6835
6836 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6837
6838 @example
6839 class print_context
6840 @{
6841     ...
6842 public:
6843     std::ostream & s;
6844     unsigned options;
6845 @};
6846 @end example
6847
6848 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6849 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6850 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6851 to print the index dimension which is normally hidden.
6852
6853 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6854 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6855 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6856 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6857
6858 @cindex @code{print()}
6859 @example
6860 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6861 @end example
6862
6863 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6864 top-level algebraic object contained in the expression.
6865
6866 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6867 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6868 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6869 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6870 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6871 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6872 (single) virtual function dispatch.
6873
6874 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6875 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6876 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6877 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6878 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6879 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6880 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6881 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6882 object's class name enclosed in square brackets).
6883
6884 You can think of the print methods of all the different classes and output
6885 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6886 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6887 classes.
6888
6889 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6890 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6891 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6892 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6893 methods at run-time).
6894
6895 @subsection Print methods for classes
6896
6897 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6898 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6899 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6900 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6901 can also be used to override existing methods dynamically.
6902
6903 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6904 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6905 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6906 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6907 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6908 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6909 the class is the one being implemented by
6910 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6911
6912 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6913 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6914 @code{unsigned}.
6915
6916 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6917 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6918 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6919 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6920 private and protected members of @code{T}.
6921
6922 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6923 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6924 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6925 purposes if you write your own output formats.
6926
6927 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6928 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6929 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6930 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6931
6932 @example
6933 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6934                              const print_latex & c,
6935                              unsigned level)
6936 @{
6937     // get the precedence of the 'power' class
6938     unsigned power_prec = p.precedence();
6939
6940     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6941     // we need parentheses around the power
6942     if (level >= power_prec)
6943         c.s << '(';
6944
6945     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6946     // separated by an uparrow
6947     c.s << '@{';
6948     p.op(0).print(c, power_prec);
6949     c.s << "@}\\uparrow@{";
6950     p.op(1).print(c, power_prec);
6951     c.s << '@}';
6952
6953     // don't forget the closing parenthesis
6954     if (level >= power_prec)
6955         c.s << ')';
6956 @}
6957                                                                                 
6958 int main()
6959 @{
6960     // a sample expression
6961     symbol x("x"), y("y");
6962     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6963
6964     // switch to LaTeX mode
6965     cout << latex;
6966
6967     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6968     cout << e << endl;
6969
6970     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6971     // our own one
6972     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6973
6974     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
6975     //              \uparrow@{2@}@}"
6976     cout << e << endl;
6977 @}
6978 @end example
6979
6980 Some notes:
6981
6982 @itemize
6983
6984 @item
6985 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6986 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6987
6988 @item
6989 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6990 @code{power} objects for the purpose of printing.
6991
6992 @item
6993 The output of products including negative powers as fractions is also
6994 controlled by the @code{mul} class.
6995
6996 @item
6997 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6998 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6999
7000 @end itemize
7001
7002 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7003 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7004 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7005 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7006 sources, find the method that is installed at startup
7007 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7008 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7009
7010 @subsection Print methods for functions
7011
7012 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7013 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7014 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7015 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7016 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7017
7018 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7019
7020 @example
7021 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7022 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7023                                                                                 
7024 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7025 @{
7026     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7027 @}
7028                                                                                 
7029 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7030 @{
7031     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7032 @}
7033                                                                                 
7034 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7035                        evalf_func(abs_evalf).
7036                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7037                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7038                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7039 @end example
7040
7041 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7042 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7043
7044 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7045
7046 @subsection Adding new output formats
7047
7048 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7049 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7050 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7051 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7052 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7053 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7054 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7055 options value.
7056
7057 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7058
7059 @example
7060 class print_myformat : public print_dflt
7061 @{
7062     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7063 public:
7064     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7065      : print_dflt(os, opt) @{@}
7066 @};
7067
7068 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7069
7070 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7071 @end example
7072
7073 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7074 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7075 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7076 format are implemented as print methods, as described above.
7077
7078 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7079 exactly like GiNaC's default output format:
7080
7081 @example
7082 @{
7083     symbol x("x");
7084     ex e = pow(x, 2) + 1;
7085
7086     // this prints "1+x^2"
7087     cout << e << endl;
7088     
7089     // this also prints "1+x^2"
7090     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7091
7092     ...
7093 @}
7094 @end example
7095
7096 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7097 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7098
7099 @example
7100 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7101 // example above for explanations.
7102 void print_power_as_myformat(const power & p,
7103                              const print_myformat & c,
7104                              unsigned level)
7105 @{
7106     unsigned power_prec = p.precedence();
7107     if (level >= power_prec)
7108         c.s << '(';
7109     p.op(0).print(c, power_prec);
7110     c.s << "**";
7111     p.op(1).print(c, power_prec);
7112     if (level >= power_prec)
7113         c.s << ')';
7114 @}
7115
7116 @{
7117     ...
7118     // install a new print method for power objects
7119     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7120
7121     // now this prints "1+x**2"
7122     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7123
7124     // but the default format is still "1+x^2"
7125     cout << e << endl;
7126 @}
7127 @end example
7128
7129
7130 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7131 @c    node-name, next, previous, up
7132 @section Structures
7133
7134 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7135 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7136 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7137 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7138 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7139
7140 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7141 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7142 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7143 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7144 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7145 read both sections because many common concepts and member functions are
7146 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7147 is most suited to your needs.
7148
7149 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7150 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7151 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7152
7153 @subsection Example: scalar products
7154
7155 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7156 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7157 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7158 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7159 product in a C++ @code{struct}:
7160
7161 @example
7162 #include <iostream>
7163 using namespace std;
7164
7165 #include <ginac/ginac.h>
7166 using namespace GiNaC;
7167
7168 struct sprod_s @{
7169     ex left, right;
7170
7171     sprod_s() @{@}
7172     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7173 @};
7174 @end example
7175
7176 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7177 data structure, we need only one line:
7178
7179 @example
7180 typedef structure<sprod_s> sprod;
7181 @end example
7182
7183 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7184 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7185 expressions like any other GiNaC class:
7186
7187 @example
7188 ...
7189     symbol a("a"), b("b");
7190     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7191 ...
7192 @end example
7193
7194 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7195 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7196 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7197 constructed from an @code{sprod_s} object.
7198
7199 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7200 you could define a little wrapper function like this:
7201
7202 @example
7203 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7204 @{
7205     return sprod(sprod_s(left, right));
7206 @}
7207 @end example
7208
7209 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7210 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7211 @code{get_struct()}:
7212
7213 @example
7214 ...
7215     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7216      // -> a
7217     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7218      // -> b
7219 ...
7220 @end example
7221
7222 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7223
7224 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7225 that deal with scalar products, for example:
7226
7227 @example
7228 ex swap_sprod(ex p)
7229 @{
7230     if (is_a<sprod>(p)) @{
7231         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7232         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7233     @} else
7234         return p;
7235 @}
7236
7237 ...
7238     f = swap_sprod(e);
7239      // f is now <b|a>
7240 ...
7241 @end example
7242
7243 @subsection Structure output
7244
7245 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7246 desired, most notably proper output:
7247
7248 @example
7249 ...
7250     cout << e << endl;
7251      // -> [structure object]
7252 ...
7253 @end example
7254
7255 By default, any structure types you define will be printed as
7256 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7257 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7258 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7259 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7260 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7261 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7262
7263 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7264 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7265
7266 @example
7267 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7268 @{
7269     // tree debug output handled by superclass
7270     if (is_a<print_tree>(c))
7271         inherited::print(c, level);
7272
7273     // get the contained sprod_s object
7274     const sprod_s & sp = get_struct();
7275
7276     // print_context::s is a reference to an ostream
7277     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7278 @}
7279 @end example
7280
7281 Now we can print expressions containing scalar products:
7282
7283 @example
7284 ...
7285     cout << e << endl;
7286      // -> <a|b>
7287     cout << swap_sprod(e) << endl;
7288      // -> <b|a>
7289 ...
7290 @end example
7291
7292 @subsection Comparing structures
7293
7294 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7295 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7296 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7297 and undesired behavior:
7298
7299 @example
7300 ...
7301     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7302      // -> 0
7303     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7304      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7305 ...
7306 @end example
7307
7308 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7309 for objects of type @code{sprod_s}:
7310
7311 @example
7312 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7313 @{
7314     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7315 @}
7316
7317 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7318 @{
7319     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7320            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7321 @}
7322 @end example
7323
7324 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7325 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7326 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7327 in the implementation of these operators because they would construct
7328 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7329 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7330 decide which one is algebraically 'less').
7331
7332 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7333 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7334
7335 @example
7336 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7337 @end example
7338
7339 @code{sprod} objects then behave as expected:
7340
7341 @example
7342 ...
7343     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7344      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7345     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7346      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7347     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7348      // -> 0
7349     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7350      // -> 2*<a|b>
7351 ...
7352 @end example
7353
7354 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7355 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7356 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7357 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7358 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7359 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7360
7361 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7362 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7363 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7364 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7365 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7366 undefined value) that the @code{T} class might have.
7367
7368 @subsection Subexpressions
7369
7370 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7371 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7372 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7373
7374 @example
7375 size_t sprod::nops() const
7376 @{
7377     return 2;
7378 @}
7379
7380 ex sprod::op(size_t i) const
7381 @{
7382     switch (i) @{
7383     case 0:
7384         return get_struct().left;
7385     case 1:
7386         return get_struct().right;
7387     default:
7388         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7389     @}
7390 @}
7391 @end example
7392
7393 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7394 @code{sprod} has two other nice side effects:
7395
7396 @itemize @bullet
7397 @item
7398 @code{has()} works as expected
7399 @item
7400 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7401 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7402 @end itemize
7403
7404 @cindex @code{let_op()}
7405 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7406 allows replacing subexpressions:
7407
7408 @example
7409 ex & sprod::let_op(size_t i)
7410 @{
7411     // every non-const member function must call this
7412     ensure_if_modifiable();
7413
7414     switch (i) @{
7415     case 0:
7416         return get_struct().left;
7417     case 1:
7418         return get_struct().right;
7419     default:
7420         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7421     @}
7422 @}
7423 @end example
7424
7425 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7426 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7427 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7428 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7429
7430 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7431 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7432 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7433 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7434 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7435 This is left as an exercise for the reader.
7436
7437 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7438 you can override by specialization to customize the behavior of your
7439 structures. You are referred to the next section for a description of
7440 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7441 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7442 @code{structure<T>} template: archiving.
7443
7444 @subsection Archiving structures
7445
7446 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7447 should first read the next section and then come back here. You're back?
7448 Good.
7449
7450 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7451 specializations for the @code{archive()} member function and the
7452 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7453 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7454 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7455 the class of an object is stored as a string, the class name.
7456
7457 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7458 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7459 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7460 need to provide a different name for each by specializing the
7461 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7462 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7463
7464 @example
7465 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7466
7467 void sprod::archive(archive_node & n) const
7468 @{
7469     inherited::archive(n);
7470     n.add_ex("left", get_struct().left);
7471     n.add_ex("right", get_struct().right);
7472 @}
7473
7474 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7475 @{
7476     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7477     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7478 @}
7479 @end example
7480
7481 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7482 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7483 @code{sprod::unarchive()} function.
7484
7485
7486 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7487 @c    node-name, next, previous, up
7488 @section Adding classes
7489
7490 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7491 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7492 severe of which being that you can't add any new member functions to
7493 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7494 from scratch.
7495
7496 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7497 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7498 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7499 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7500 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7501 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7502 representing tensor products is more involved but this section should give
7503 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7504 classes if you want to implement something more complicated.
7505
7506 @subsection GiNaC's run-time type information system
7507
7508 @cindex hierarchy of classes
7509 @cindex RTTI
7510 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7511 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7512 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7513 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7514 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7515 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7516 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7517 system that provides this kind of information is called a run-time type
7518 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7519 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7520 implements its own, simpler RTTI.
7521
7522 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7523
7524 @itemize @bullet
7525
7526 @item
7527 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7528 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7529 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7530 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7531
7532 @item
7533 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7534 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7535 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7536 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7537 @file{registrar.h} header file.
7538
7539 @end itemize
7540
7541 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7542 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7543 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7544 macros.
7545
7546 @subsection A minimalistic example
7547
7548 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7549 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7550 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7551 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7552 for your own classes.
7553
7554 The code snippets given here assume that you have included some header files
7555 as follows:
7556
7557 @example
7558 #include <iostream>
7559 #include <string>   
7560 #include <stdexcept>
7561 using namespace std;
7562
7563 #include <ginac/ginac.h>
7564 using namespace GiNaC;
7565 @end example
7566
7567 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7568 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7569 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7570 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7571 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7572 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7573
7574 @example
7575 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7576 @end example
7577
7578 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7579 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7580 object from a C or C++ string:
7581
7582 @example
7583 class mystring : public basic
7584 @{
7585     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7586   
7587 public:
7588     mystring(const string &s);
7589     mystring(const char *s);
7590
7591 private:
7592     string str;
7593 @};
7594
7595 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7596 @end example
7597
7598 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7599 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7600 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7601 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7602 the first line after the opening brace of the class definition. The
7603 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7604 source (at global scope, of course, not inside a function).
7605
7606 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7607 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7608 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7609 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7610 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7611 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7612 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7613 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7614
7615 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7616 class:
7617
7618 @itemize
7619
7620 @item
7621 @code{mystring()}, the default constructor.
7622
7623 @item
7624 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7625 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7626 @code{archive_node}.
7627
7628 @item
7629 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7630 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7631 found in an @code{archive_node}.
7632
7633 @item
7634 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7635 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7636 constructor.
7637
7638 @item
7639 @cindex @code{compare_same_type()}
7640 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7641 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7642 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7643 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7644 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7645 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7646 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7647 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7648 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7649 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7650 defined.
7651
7652 @item
7653 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7654 which are the two constructors we declared.
7655
7656 @end itemize
7657
7658 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7659
7660 @example
7661 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7662 @end example
7663
7664 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7665 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7666 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7667 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7668 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7669 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7670 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7671 to the right value manually.
7672
7673 In the default constructor you should set all other member variables to
7674 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7675 member gets set to an empty string automatically).
7676
7677 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7678 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7679 is really simple.  First, the archiving function:
7680
7681 @example
7682 void mystring::archive(archive_node &n) const
7683 @{
7684     inherited::archive(n);
7685     n.add_string("string", str);
7686 @}
7687 @end example
7688
7689 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7690 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7691 deem necessary for representing the object into the passed
7692 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7693 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7694 file.
7695
7696 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7697 function:
7698
7699 @example
7700 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7701 @{
7702     n.find_string("string", str);
7703 @}
7704 @end example
7705
7706 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7707 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7708 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7709 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7710
7711 Finally, the unarchiving function:
7712
7713 @example
7714 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7715 @{
7716     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7717 @}
7718 @end example
7719
7720 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7721 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7722 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7723 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7724 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7725 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7726 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7727 automatically once it is no longer referenced.
7728
7729 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7730 the string members:
7731
7732 @example
7733 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7734 @{
7735     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7736     int cmpval = str.compare(o.str);
7737     if (cmpval == 0)
7738         return 0;
7739     else if (cmpval < 0)
7740         return -1;
7741     else
7742         return 1;
7743 @}
7744 @end example
7745
7746 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7747 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7748 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7749 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7750 all relevant member variables.
7751
7752 Now the only thing missing is our two new constructors:
7753
7754 @example
7755 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7756 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7757 @end example
7758
7759 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7760 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7761
7762 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7763 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7764
7765 @example
7766 ex e = mystring("Hello, world!");
7767 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7768  // -> 1 (true)
7769
7770 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
7771  // -> mystring
7772 @end example
7773
7774 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7775
7776 @example
7777 cout << e << endl;
7778  // -> [mystring object]
7779 @end example
7780
7781 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7782 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7783 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7784 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7785 surrounded by double quotes:
7786
7787 @example
7788 class mystring : public basic
7789 @{
7790     ...
7791 protected:
7792     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7793     ...
7794 @};
7795
7796 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7797 @{
7798     // print_context::s is a reference to an ostream
7799     c.s << '\"' << str << '\"';
7800 @}
7801 @end example
7802
7803 The @code{level} argument is only required for container classes to
7804 correctly parenthesize the output.
7805
7806 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7807 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7808 replace the line
7809
7810 @example
7811 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7812 @end example
7813
7814 with
7815
7816 @example
7817 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7818   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7819 @end example
7820
7821 Let's try again to print the expression:
7822
7823 @example
7824 cout << e << endl;
7825  // -> "Hello, world!"
7826 @end example
7827
7828 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7829 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7830 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7831 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7832 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7833 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7834 way expression output is implemented in GiNaC.
7835
7836 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7837
7838 @example
7839 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7840 cout << e << endl;
7841  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7842 @end example
7843
7844 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7845
7846 @example
7847 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7848 cout << e << endl;
7849  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7850 @end example
7851
7852 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7853 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7854 for your objects.
7855
7856 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7857
7858 @example
7859 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7860 cout << e << endl;
7861  // -> "Wow"^2
7862
7863 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7864 cout << e.expand() << endl;
7865  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7866 @end example
7867
7868 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7869 concatenation. You would have to implement this yourself.
7870
7871 @subsection Automatic evaluation
7872
7873 @cindex evaluation
7874 @cindex @code{eval()}
7875 @cindex @code{hold()}
7876 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7877 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7878 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7879 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7880 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7881 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7882
7883 @example
7884 class mystring : public basic
7885 @{
7886     ...
7887 public:
7888     ex eval(int level = 0) const;
7889     ...
7890 @};
7891
7892 ex mystring::eval(int level) const
7893 @{
7894     string new_str;
7895     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7896         char c = str[i];
7897         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7898             new_str += tolower(c);
7899         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7900             new_str += c;
7901     @}
7902
7903     if (new_str.length() == 0)
7904         return 0;
7905     else
7906         return mystring(new_str).hold();
7907 @}
7908 @end example
7909
7910 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7911 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7912 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7913 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7914 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7915 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7916 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7917 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7918
7919 Let's confirm that it works:
7920
7921 @example
7922 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7923 cout << e << endl;
7924  // -> "helloworld"
7925
7926 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7927 cout << e << endl;
7928  // -> 3*"wow"
7929 @end example
7930
7931 @subsection Optional member functions
7932
7933 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7934 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7935 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7936
7937 @cindex @code{calchash()}
7938 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7939 @example
7940 unsigned calchash() const;
7941 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7942 @end example
7943
7944 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7945 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7946 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7947 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7948 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7949 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7950
7951 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7952 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7953 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7954 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7955
7956 @subsection Other member functions
7957
7958 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7959 might want to provide:
7960
7961 @example
7962 bool info(unsigned inf) const;
7963 ex evalf(int level = 0) const;
7964 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7965 ex derivative(const symbol & s) const;
7966 @end example
7967
7968 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7969 previous section) you will probably want to override
7970
7971 @cindex @code{let_op()}
7972 @example
7973 size_t nops() cont;
7974 ex op(size_t i) const;
7975 ex & let_op(size_t i);
7976 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7977 ex map(map_function & f) const;
7978 @end example
7979
7980 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7981 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7982 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7983
7984 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7985 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7986 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7987 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7988 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7989 should become a need.
7990
7991 That's it. May the source be with you!
7992
7993
7994 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7995 @c    node-name, next, previous, up
7996 @chapter A Comparison With Other CAS
7997 @cindex advocacy
7998
7999 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8000 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8001 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8002 disadvantages over these systems.
8003
8004 @menu
8005 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8006 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8007 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8008 @end menu
8009
8010 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8011 @c    node-name, next, previous, up
8012 @section Advantages
8013
8014 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8015 Algebra Systems, like 
8016
8017 @itemize @bullet
8018
8019 @item
8020 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8021 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8022 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8023 in common C++, which is standardized.
8024
8025 @cindex STL
8026 @item
8027 structured data types: you can build up structured data types using
8028 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8029 using unnamed lists of lists of lists.
8030
8031 @item
8032 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8033 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8034 nice for novice programmers, but dangerous.
8035     
8036 @item
8037 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8038 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8039 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8040
8041 @item
8042 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8043 separating interface and implementation.
8044
8045 @item
8046 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8047 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8048 C++-compilers for free, too.
8049     
8050 @item
8051 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8052 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8053 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8054 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8055 fix bugs in a traditional system.
8056
8057 @item
8058 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8059 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8060 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8061 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8062 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8063 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8064 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8065 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8066 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8067 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8068 FTP-site.
8069
8070 @item
8071 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8072 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8073 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8074 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8075 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8076 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8077 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8078 system (i.e. @emph{Yacas}).
8079
8080 @item
8081 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8082 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8083 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8084 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8085 speed with other CAS.
8086
8087 @end itemize
8088
8089
8090 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8091 @c    node-name, next, previous, up
8092 @section Disadvantages
8093
8094 Of course it also has some disadvantages:
8095
8096 @itemize @bullet
8097
8098 @item
8099 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8100 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8101 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8102 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8103 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8104 not planned for the near future).
8105
8106 @item
8107 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8108 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8109 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8110 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8111 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8112 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8113 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8114 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8115 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8116 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8117 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8118 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8119 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8120 yet ANSI compliant, support all needed features.
8121     
8122 @end itemize
8123
8124
8125 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8126 @c    node-name, next, previous, up
8127 @section Why C++?
8128
8129 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8130 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8131 possible), separation between interface and implementation is not
8132 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8133 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8134 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8135 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8136 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8137 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8138 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8139 any other programming language.
8140
8141
8142 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8143 @c    node-name, next, previous, up
8144 @appendix Internal Structures
8145
8146 @menu
8147 * Expressions are reference counted::
8148 * Internal representation of products and sums::
8149 @end menu
8150
8151 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8152 @c    node-name, next, previous, up
8153 @appendixsection Expressions are reference counted
8154
8155 @cindex reference counting
8156 @cindex copy-on-write
8157 @cindex garbage collection
8158 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8159 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8160 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8161 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8162 skip the rest of this passage.
8163
8164 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8165 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8166 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8167 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8168 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8169 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8170 of code:
8171
8172 @example
8173 #include <iostream>
8174 #include <ginac/ginac.h>
8175 using namespace std;
8176 using namespace GiNaC;
8177
8178 int main()
8179 @{
8180     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8181     ex e1, e2;
8182
8183     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8184     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8185     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8186     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8187     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8188 @}
8189 @end example
8190
8191 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8192 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8193 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8194 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8195 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8196 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8197 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8198 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8199 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8200 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8201 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8202 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8203 can be:
8204
8205 @example
8206 @{
8207     symbol x("x"), y("y");
8208
8209     ex e1 = x + 3*y;
8210     ex e2 = pow(e1, 3);
8211     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8212     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8213          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8214          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8215 @}
8216 @end example
8217
8218 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8219 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8220 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8221 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8222 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8223 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8224 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8225 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8226 @code{3*e1^2}.
8227
8228 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8229 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8230 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8231 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8232 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8233 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8234 semantics, we recommend you have a look at the
8235 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8236 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8237 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8238
8239
8240 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8241 @c    node-name, next, previous, up
8242 @appendixsection Internal representation of products and sums
8243
8244 @cindex representation
8245 @cindex @code{add}
8246 @cindex @code{mul}
8247 @cindex @code{power}
8248 Although it should be completely transparent for the user of
8249 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8250 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8251 unexpanded symbolic expression 
8252 @tex
8253 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8254 @end tex
8255 @ifnottex
8256 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8257 @end ifnottex
8258 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8259 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8260 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8261 fashion:
8262
8263 @image{repnaive}
8264
8265 @cindex pair-wise representation
8266 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8267 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8268 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8269 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8270 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8271 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8272 becomes much more flat:
8273
8274 @image{reppair}
8275
8276 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8277 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8278 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8279 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8280 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8281 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8282 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8283 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8284 representation, however, since they are still carrying a trivial
8285 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8286 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8287 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8288 representation for
8289 @tex
8290 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8291 @end tex
8292 @ifnottex
8293 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8294 @end ifnottex
8295
8296 @image{repreal}
8297
8298 @cindex radical
8299 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8300 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8301 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8302 same abstract class: the data representation is the same, only the
8303 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8304 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8305 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8306
8307
8308 @node Package Tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8309 @c    node-name, next, previous, up
8310 @appendix Package Tools
8311
8312 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8313 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8314 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8315 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8316 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8317 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8318 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8319 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8320 @example
8321 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8322 @end example
8323
8324 This command line might expand to (for example):
8325 @example
8326 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8327 @end example
8328
8329 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8330 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8331
8332 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8333 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8334 checking for libraries
8335
8336 @example
8337 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8338                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8339                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8340 @end example
8341
8342 This macro:
8343
8344 @itemize @bullet
8345
8346 @item
8347 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8348 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8349 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8350
8351 @item
8352 Tests the installed libraries to make sure that their version
8353 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8354
8355 @item
8356 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8357 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8358 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8359 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8360 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8361
8362 @item
8363 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8364
8365 @end itemize
8366
8367 @menu
8368 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8369 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8370 @end menu
8371
8372
8373 @node Configure script options, Example package, Package Tools, Package Tools 
8374 @c    node-name, next, previous, up
8375 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8376
8377 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8378 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8379 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8380 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8381 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8382
8383 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8384 system.
8385
8386 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8387 the linkers where to find the library one should
8388
8389 @itemize @bullet
8390 @item
8391 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8392 @example
8393 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8394 # ldconfig
8395 @end example
8396
8397 @item
8398 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8399 @example
8400 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8401 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8402 @end example
8403
8404 @item
8405 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8406 for instance:
8407
8408 @example
8409 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8410 @end example
8411 @end itemize
8412
8413 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8414 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8415 @example
8416 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8417 @end example
8418
8419 Finally, run the @command{configure} script
8420 @example
8421 $ ./configure 
8422 @end example
8423
8424 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8425
8426 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package Tools
8427 @c    node-name, next, previous, up
8428 @subsection Example of a package using GiNaC
8429
8430 The following shows how to build a simple package using automake
8431 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8432
8433 @example
8434 #include <iostream>
8435 #include <ginac/ginac.h>
8436
8437 int main()
8438 @{
8439     GiNaC::symbol x("x");
8440     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8441     std::cout << "Derivative of " << a 
8442               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8443     return 0;
8444 @}
8445 @end example
8446
8447 You should first read the introductory portions of the automake
8448 Manual, if you are not already familiar with it.
8449
8450 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8451 configure script:
8452
8453 @example
8454 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8455 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8456 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8457 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8458
8459 AC_PROG_CXX
8460 AC_PROG_INSTALL
8461 AC_LANG([C++])
8462
8463 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8464
8465 AC_OUTPUT(Makefile)
8466 @end example
8467
8468 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8469 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8470 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8471 @example
8472 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8473
8474 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8475
8476 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8477 installed software in a non-standard prefix.
8478
8479 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8480 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8481 See the pkg-config man page for more details.
8482 @end example
8483
8484 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8485
8486 @example
8487 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8488 bin_PROGRAMS = simple
8489 simple_SOURCES = simple.cpp
8490 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8491 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8492 @end example
8493
8494 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8495 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8496 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8497 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8498 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8499 basis.
8500
8501 To try this example out, create a new directory and add the three
8502 files above to it.
8503
8504 Now execute the following command:
8505
8506 @example
8507 $ autoreconf -i
8508 @end example
8509
8510 You now have a package that can be built in the normal fashion
8511
8512 @example
8513 $ ./configure
8514 $ make
8515 $ make install
8516 @end example
8517
8518
8519 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8520 @c    node-name, next, previous, up
8521 @appendix Bibliography
8522
8523 @itemize @minus{}
8524
8525 @item
8526 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8527
8528 @item
8529 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8530
8531 @item
8532 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8533
8534 @item
8535 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8536
8537 @item
8538 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8539 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8540
8541 @item
8542 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8543 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8544 Academic Press, London
8545
8546 @item
8547 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8548 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8549
8550 @item
8551 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8552 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8553
8554 @item
8555 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8556 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8557
8558 @item
8559 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8560
8561 @end itemize
8562
8563
8564 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8565 @c    node-name, next, previous, up
8566 @unnumbered Concept Index
8567
8568 @printindex cp
8569
8570 @bye