]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
06e4a8ca9983817d0d3625ec34e2fb1ada7a0aee
[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) 1999-2000 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 The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistical structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2000 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace GiNaC;
184
185 int main()
186 @{
187     symbol x("x"), y("y");
188     ex poly;
189
190     for (int i=0; i<3; ++i)
191         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
192
193     cout << poly << endl;
194     return 0;
195 @}
196 @end example
197
198 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
199 and run it like this:
200
201 @example
202 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
203 $ ./hello
204 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
205 @end example
206
207 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
208 package that uses GiNaC.)
209
210 @cindex Hermite polynomial
211 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
212 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
213
214 @example
215 #include <ginac/ginac.h>
216 using namespace GiNaC;
217
218 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
219 @{
220     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
221     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
222     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
223 @}
224
225 int main()
226 @{
227     symbol z("z");
228
229     for (int i=0; i<6; ++i)
230         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
231
232     return 0;
233 @}
234 @end example
235
236 When run, this will type out
237
238 @example
239 H_0(z) == 1
240 H_1(z) == 2*z
241 H_2(z) == 4*z^2-2
242 H_3(z) == -12*z+8*z^3
243 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
244 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
245 @end example
246
247 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
248 for production purposes.
249
250 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
251 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
252 convenient window into GiNaC's capabilities.
253
254
255 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
256 @c    node-name, next, previous, up
257 @section What it can do for you
258
259 @cindex @command{ginsh}
260 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
261 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
262 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
263 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
264 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
265 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
266 @code{==} compares.
267
268 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
269 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
270 integers:
271
272 @example
273 > x=3^150;
274 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
275 > y=3^149;
276 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
277 > x/y;
278 3
279 > y/x;
280 1/3
281 @end example
282
283 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
284 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
285 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
286 can be expanded:
287
288 @example
289 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
290 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
291 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
292 10-5*3^(3/5)
293 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
294 0.33408977534118624228
295 @end example
296
297 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
298 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
299 arbitrary predefined accuracy:
300
301 @example
302 > evalf(1/7);
303 0.14285714285714285714
304 > Digits=150;
305 150
306 > evalf(1/7);
307 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
308 5714285714285714285714285714285714285
309 @end example
310
311 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
312 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
313 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
314 numeric expressions (as an inexact number):
315
316 @example
317 > a=Pi^2+x;
318 x+Pi^2
319 > evalf(a);
320 9.869604401089358619+x
321 > x=2;
322 2
323 > evalf(a);
324 11.869604401089358619
325 @end example
326
327 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
328 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
329 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
330
331 @example
332 > cos(42*Pi);
333 1
334 > cos(acos(x));
335 x
336 > acos(cos(x));
337 acos(cos(x))
338 @end example
339
340 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
341 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
342
343 Linear equation systems can be solved along with basic linear
344 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
345 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
346 @command{ginsh}'s notation of double brackets to type them in:
347
348 @example
349 > lsolve(a+x*y==z,x);
350 y^(-1)*(z-a);
351 > lsolve([3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5], [x, y]);
352 [x==19/8,y==-1/40]
353 > M = [[ [[1, 3]], [[-3, 2]] ]];
354 [[ [[1,3]], [[-3,2]] ]]
355 > determinant(M);
356 11
357 > charpoly(M,lambda);
358 lambda^2-3*lambda+11
359 @end example
360
361 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
362 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
363 polynomials):
364
365 @example
366 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
367 -3*y^4+x^4+12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y
368 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
369 -y^2+x^2+4*x*y
370 > expand(a*b);
371 3*y^6+x^6-24*x*y^5+43*x^2*y^4+16*x^3*y^3+17*x^4*y^2+8*x^5*y
372 > collect(a*b,x);
373 3*y^6+48*x*y^4+2*x^2*y^2+x^4*(-y^2+x^2+4*x*y)+4*x^3*y*(-y^2+x^2+4*x*y)
374 > normal(a/b);
375 3*y^2+x^2
376 @end example
377
378 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
379 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
380 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
381 order):
382
383 @cindex Zeta function
384 @example
385 > diff(tan(x),x);
386 tan(x)^2+1
387 > series(sin(x),x==0,4);
388 x-1/6*x^3+Order(x^4)
389 > series(1/tan(x),x==0,4);
390 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
391 > series(tgamma(x),x==0,3);
392 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
393 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
394 > evalf(");
395 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
396 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
397 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
398 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
399 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
400 @end example
401
402 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{"} to pop the
403 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
404
405 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
406 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
407 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
408 metric system is now easy:
409
410 @example
411 > in=.0254*m;
412 0.0254*m
413 > lb=.45359237*kg;
414 0.45359237*kg
415 > 200*lb/in^2;
416 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
417 @end example
418
419
420 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
421 @c    node-name, next, previous, up
422 @chapter Installation
423
424 @cindex CLN
425 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
426 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
427 installation.
428
429 @menu
430 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
431 * Configuration::                How to configure GiNaC.
432 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
433 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
434 @end menu
435
436
437 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
438 @c    node-name, next, previous, up
439 @section Prerequisites
440
441 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
442 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
443 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used @acronym{GCC} for
444 development so if you have a different compiler you are on your own.
445 For the configuration to succeed you need a Posix compliant shell
446 installed in @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed
447 by the built process as well, since some of the source files are
448 automatically generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno
449 Haible's library @acronym{CLN} is extensively used and needs to be
450 installed on your system.  Please get it either from
451 @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
452 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
453 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
454 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
455 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
456 it will refuse to continue.
457
458
459 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
460 @c    node-name, next, previous, up
461 @section Configuration
462 @cindex configuration
463 @cindex Autoconf
464
465 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
466 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
467 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
468 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
469 prompts, all customization must be done either via command line
470 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
471 the complete set of which can be listed by calling it with the
472 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
473 described in what follows:
474
475 @itemize @bullet
476
477 @item
478 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
479 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
480 when developing because it considerably speeds up compilation.
481
482 @item
483 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
484 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
485 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
486 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
487 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
488
489 @item
490 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
491 the library installed in some other directory than
492 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
493
494 @item
495 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
496 to have the header files installed in some other directory than
497 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
498 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
499 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
500 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
501 keep the header files separated from others.  This avoids some
502 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
503 to be considered A Good Thing (tm).
504
505 @item
506 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
507 want to have the documentation installed in some other directory than
508 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
509
510 @end itemize
511
512 In addition, you may specify some environment variables.
513 @env{CXX} holds the path and the name of the C++ compiler
514 in case you want to override the default in your path.  (The
515 @command{configure} script searches your path for @command{c++},
516 @command{g++}, @command{gcc}, @command{CC}, @command{cxx}
517 and @command{cc++} in that order.)  It may be very useful to
518 define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS} environment
519 variable, like optimization, debugging information and warning
520 levels.  If omitted, it defaults to @option{-g -O2}.
521
522 The whole process is illustrated in the following two
523 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
524 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
525 your login shell.)
526
527 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
528 everything is in default paths:
529
530 @example
531 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
532 $ ./configure
533 @end example
534
535 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
536 several components sitting in custom places (site-wide @acronym{GCC} and
537 private @acronym{CLN}).  The compiler is pursuaded to be picky and full
538 assertions and debugging information are switched on:
539
540 @example
541 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
542 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
543 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -ansi -pedantic"
544 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
545 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
546 @end example
547
548
549 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
550 @c    node-name, next, previous, up
551 @section Building GiNaC
552 @cindex building GiNaC
553
554 After proper configuration you should just build the whole
555 library by typing
556 @example
557 $ make
558 @end example
559 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
560 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
561 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
562 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
563
564 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
565 regression tests by typing
566
567 @example
568 $ make check
569 @end example
570
571 This will compile some sample programs, run them and check the output
572 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
573 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
574 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
575 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
576 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
577 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
578 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
579 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
580 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
581 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
582 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
583 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
584 to fiddle around with optimization.
585
586 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
587 subdirectories.  It is therfore safe to go into any subdirectory
588 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, ...) and simply type @code{make}
589 @var{target} there in case something went wrong.
590
591
592 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
593 @c    node-name, next, previous, up
594 @section Installing GiNaC
595 @cindex installation
596
597 To install GiNaC on your system, simply type
598
599 @example
600 $ make install
601 @end example
602
603 As described in the section about configuration the files will be
604 installed in the following directories (the directories will be created
605 if they don't already exist):
606
607 @itemize @bullet
608
609 @item
610 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
611 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
612 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
613 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
614 will be established as well.
615
616 @item
617 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
618 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
619
620 @item
621 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
622 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
623 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
624
625 @end itemize
626
627 For the sake of completeness we will list some other useful make
628 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
629 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
630 distclean} removes all files generated by the configuration and
631 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
632 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
633 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
634 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
635 work after you have called @command{make distclean} since the
636 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
637 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
638 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
639 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
640 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
641 do it by hand since you now know where all the files went during
642 installation.}.
643
644
645 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
646 @c    node-name, next, previous, up
647 @chapter Basic Concepts
648
649 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
650 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
651 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
652 meta-class for storing all mathematical objects.
653
654 @menu
655 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
656 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
657 * Symbols::                      Symbolic objects.
658 * Numbers::                      Numerical objects.
659 * Constants::                    Pre-defined constants.
660 * Fundamental containers::       The power, add and mul classes.
661 * Lists::                        Lists of expressions.
662 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
663 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
664 @end menu
665
666
667 @node Expressions, The Class Hierarchy, Basic Concepts, Basic Concepts
668 @c    node-name, next, previous, up
669 @section Expressions
670 @cindex expression (class @code{ex})
671 @cindex @code{has()}
672
673 The most common class of objects a user deals with is the expression
674 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
675 function, sum, product, etc...  Expressions may be put together to form
676 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
677 little collection of valid expressions:
678
679 @example
680 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
681 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
682 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
683 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
684 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
685 @end example
686
687 Expressions are handles to other more fundamental objects, that many
688 times contain other expressions thus creating a tree of expressions
689 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
690 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
691 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
692 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
693 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
694 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
695
696 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
697 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
698 @code{ex}.
699
700
701 @node The Class Hierarchy, Symbols, Expressions, Basic Concepts
702 @c    node-name, next, previous, up
703 @section The Class Hierarchy
704
705 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
706 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
707 helpers) are internally derived from one abstract base class called
708 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
709 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
710 containers of expressions and so on.  You'll soon learn in this chapter
711 how many of the functions on symbols are really classes.  This is
712 because simple symbolic arithmetic is not supported by languages like
713 C++ so in a certain way GiNaC has to implement its own arithmetic.
714
715 @cindex container
716 @cindex atom
717 To get an idea about what kinds of symbolic composits may be built we
718 have a look at the most important classes in the class hierarchy.  The
719 oval classes are atomic ones and the squared classes are containers.
720 The dashed line symbolizes a `points to' or `handles' relationship while
721 the solid lines stand for `inherits from' relationship in the class
722 hierarchy:
723
724 @image{classhierarchy}
725
726 Some of the classes shown here (the ones sitting in white boxes) are
727 abstract base classes that are of no interest at all for the user.  They
728 are used internally in order to avoid code duplication if two or more
729 classes derived from them share certain features.  An example would be
730 @code{expairseq}, which is a container for a sequence of pairs each
731 consisting of one expression and a number (@code{numeric}).  What
732 @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add} and
733 @code{mul}, representing sums of terms and products, respectively.
734 @xref{Internal Structures}, where these two classes are described in
735 more detail.
736
737 At this point, we only summarize what kind of mathematical objects are
738 stored in the different classes in above diagram in order to give you a
739 overview:
740
741 @cartouche
742 @multitable @columnfractions .22 .78
743 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
744 @item @code{constant} @tab Constants like 
745 @tex
746 $\pi$
747 @end tex
748 @ifnottex
749 @math{Pi}
750 @end ifnottex
751 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
752 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a+(2*b)+3}
753 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{a*(x+y+z)*b*2}
754 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
755 @tex
756 $\sqrt{2}$
757 @end tex
758 @ifnottex
759 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
760 @end ifnottex
761 @dots{}
762 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x+1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
763 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
764 @item @code{lst} @tab Lists of expressions [@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}]
765 @item @code{matrix} @tab @math{n}x@math{m} matrices of expressions
766 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
767 @item @code{color} @tab Element of the @math{SU(3)} Lie-algebra
768 @item @code{isospin} @tab Element of the @math{SU(2)} Lie-algebra
769 @item @code{idx} @tab Index of a tensor object
770 @item @code{coloridx} @tab Index of a @math{SU(3)} tensor
771 @end multitable
772 @end cartouche
773
774 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
775 @c    node-name, next, previous, up
776 @section Symbols
777 @cindex @code{symbol} (class)
778 @cindex hierarchy of classes
779
780 @cindex atom
781 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
782 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
783 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
784 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
785 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
786 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
787 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
788 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
789 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
790 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
791 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
792 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
793 come across examples of such symbols later in this tutorial.
794
795 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
796 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
797 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
798 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
799 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
800 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
801 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
802 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
803 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
804 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
805
806 @cindex @code{subs()}
807 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
808 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
809 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
810 can use the expression's @code{.subs()} method (@xref{Substituting Symbols},
811 for more information).
812
813
814 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
815 @c    node-name, next, previous, up
816 @section Numbers
817 @cindex @code{numeric} (class)
818
819 @cindex GMP
820 @cindex CLN
821 @cindex rational
822 @cindex fraction
823 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library
824 @acronym{CLN}.  The classes therein serve as foundation classes for
825 GiNaC.  @acronym{CLN} stands for Class Library for Numbers or
826 alternatively for Common Lisp Numbers.  In order to find out more about
827 @acronym{CLN}'s internals the reader is refered to the documentation of
828 that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for more
829 information. Suffice to say that it is by itself build on top of another
830 library, the GNU Multiple Precision library @acronym{GMP}, which is an
831 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
832 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
833 by several popular cryptographic applications.  @acronym{CLN} extends
834 @acronym{GMP} by several useful things: First, it introduces the complex
835 number field over either reals (i.e. floating point numbers with
836 arbitrary precision) or rationals.  Second, it automatically converts
837 rationals to integers if the denominator is unity and complex numbers to
838 real numbers if the imaginary part vanishes and also correctly treats
839 algebraic functions.  Third it provides good implementations of
840 state-of-the-art algorithms for all trigonometric and hyperbolic
841 functions as well as for calculation of some useful constants.
842
843 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
844 ways.  The following example shows the four most important constructors.
845 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
846 integers, construction from C-float and construction from a string:
847
848 @example
849 #include <ginac/ginac.h>
850 using namespace GiNaC;
851
852 int main()
853 @{
854     numeric two(2);                       // exact integer 2
855     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
856     numeric e(2.71828);                   // floating point number
857     numeric p("3.1415926535897932385");   // floating point number
858     // Trott's constant in scientific notation:
859     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
860     
861     cout << two*p << endl;  // floating point 6.283...
862 @}
863 @end example
864
865 Note that all those constructors are @emph{explicit} which means you are
866 not allowed to write @code{numeric two=2;}.  This is because the basic
867 objects to be handled by GiNaC are the expressions @code{ex} and we want
868 to keep things simple and wish objects like @code{pow(x,2)} to be
869 handled the same way as @code{pow(x,a)}, which means that we need to
870 allow a general @code{ex} as base and exponent.  Therefore there is an
871 implicit constructor from C-integers directly to expressions handling
872 numerics at work in most of our examples.  This design really becomes
873 convenient when one declares own functions having more than one
874 parameter but it forbids using implicit constructors because that would
875 lead to compile-time ambiguities.
876
877 It may be tempting to construct numbers writing @code{numeric r(3/2)}.
878 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
879 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
880 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
881 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
882 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
883 also.
884
885 @cindex @code{Digits}
886 @cindex accuracy
887 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
888 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
889 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
890 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
891 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
892 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
893 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
894 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
895 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
896 digits:
897
898 @example
899 #include <ginac/ginac.h>
900 using namespace GiNaC;
901
902 void foo()
903 @{
904     numeric three(3.0), one(1.0);
905     numeric x = one/three;
906
907     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
908     cout << x << endl;
909     cout << Pi.evalf() << endl;
910 @}
911
912 int main()
913 @{
914     foo();
915     Digits = 60;
916     foo();
917     return 0;
918 @}
919 @end example
920
921 The above example prints the following output to screen:
922
923 @example
924 in 17 digits:
925 0.333333333333333333
926 3.14159265358979324
927 in 60 digits:
928 0.333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
929 3.14159265358979323846264338327950288419716939937510582097494459231
930 @end example
931
932 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
933 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
934 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
935
936 @subsection Tests on numbers
937
938 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
939 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
940 kind of information from them like asking whether that number is
941 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
942 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
943 certain CLN functions.)
944
945 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
946 some multiple of its denominator and test what comes out:
947
948 @example
949 #include <ginac/ginac.h>
950 using namespace GiNaC;
951
952 // some very important constants:
953 const numeric twentyone(21);
954 const numeric ten(10);
955 const numeric five(5);
956
957 int main()
958 @{
959     numeric answer = twentyone;
960
961     answer /= five;
962     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
963     answer *= ten;
964     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
965 @}
966 @end example
967
968 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
969 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
970 holds a rational number represented as integer numerator and integer
971 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
972 the result is automatically converted to a pure integer again.
973 Internally, the underlying @acronym{CLN} is responsible for this
974 behaviour and we refer the reader to @acronym{CLN}'s documentation.
975 Suffice to say that the same behaviour applies to complex numbers as
976 well as return values of certain functions.  Complex numbers are
977 automatically converted to real numbers if the imaginary part becomes
978 zero.  The full set of tests that can be applied is listed in the
979 following table.
980
981 @cartouche
982 @multitable @columnfractions .30 .70
983 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
984 @item @code{.is_zero()}
985 @tab @dots{}equal to zero
986 @item @code{.is_positive()}
987 @tab @dots{}not complex and greater than 0
988 @item @code{.is_integer()}
989 @tab @dots{}a (non-complex) integer
990 @item @code{.is_pos_integer()}
991 @tab @dots{}an integer and greater than 0
992 @item @code{.is_nonneg_integer()}
993 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
994 @item @code{.is_even()}
995 @tab @dots{}an even integer
996 @item @code{.is_odd()}
997 @tab @dots{}an odd integer
998 @item @code{.is_prime()}
999 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1000 @item @code{.is_rational()}
1001 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1002 @item @code{.is_real()}
1003 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1004 @item @code{.is_cinteger()}
1005 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1006 @item @code{.is_crational()}
1007 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1008 @end multitable
1009 @end cartouche
1010
1011
1012 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1013 @c    node-name, next, previous, up
1014 @section Constants
1015 @cindex @code{constant} (class)
1016
1017 @cindex @code{Pi}
1018 @cindex @code{Catalan}
1019 @cindex @code{Euler}
1020 @cindex @code{evalf()}
1021 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1022 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1023
1024 The predefined known constants are:
1025
1026 @cartouche
1027 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1028 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1029 @item @code{Pi}
1030 @tab Archimedes' constant
1031 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1032 @item @code{Catalan}
1033 @tab Catalan's constant
1034 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1035 @item @code{Euler}
1036 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1037 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1038 @end multitable
1039 @end cartouche
1040
1041
1042 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1043 @c    node-name, next, previous, up
1044 @section Fundamental containers: the @code{power}, @code{add} and @code{mul} classes
1045 @cindex polynomial
1046 @cindex @code{add}
1047 @cindex @code{mul}
1048 @cindex @code{power}
1049
1050 Simple polynomial expressions are written down in GiNaC pretty much like
1051 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1052 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1053 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1054 program, the constructor for an object of type @code{mul} is
1055 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1056 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1057 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1058
1059 @example
1060 #include <ginac/ginac.h>
1061 using namespace GiNaC;
1062
1063 int main()
1064 @{
1065     symbol a("a"), b("b");
1066     ex MyTerm = 1+a*b;
1067     // ...
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 @cindex @code{pow()}
1072 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1073 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1074 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1075 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1076 have several counterintuitive effects:
1077
1078 @itemize @bullet
1079 @item
1080 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1081 @item
1082 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1083 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1084 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1085 @item
1086 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1087 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1088 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1089 for exclusive or.  (It would be embarassing to return @code{1} where one
1090 has requested @code{2^3}.)
1091 @end itemize
1092
1093 @cindex @command{ginsh}
1094 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1095 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1096 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1097 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1098 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1099 not exist at all in C++).
1100
1101 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1102 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1103 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1104 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1105 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1106 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1107 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1108 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1109 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1110 @code{x} negative.
1111
1112 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1113 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1114 and safe simplifications are carried out like transforming
1115 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1116
1117 The general rule is that when you construct such objects, GiNaC
1118 automatically creates them in canonical form, which might differ from
1119 the form you typed in your program.  This allows for rapid comparison of
1120 expressions, since after all @code{a-a} is simply zero.  Note, that the
1121 canonical form is not necessarily lexicographical ordering or in any way
1122 easily guessable.  It is only guaranteed that constructing the same
1123 expression twice, either implicitly or explicitly, results in the same
1124 canonical form.
1125
1126
1127 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1128 @c    node-name, next, previous, up
1129 @section Lists of expressions
1130 @cindex @code{lst} (class)
1131 @cindex lists
1132 @cindex @code{nops()}
1133 @cindex @code{op()}
1134 @cindex @code{append()}
1135 @cindex @code{prepend()}
1136
1137 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a list of arbitrary expressions.
1138 These are sometimes used to supply a variable number of arguments of the same
1139 type to GiNaC methods such as @code{subs()} and @code{to_rational()}, so you
1140 should have a basic understanding about them.
1141
1142 Lists of up to 15 expressions can be directly constructed from single
1143 expressions:
1144
1145 @example
1146 @{
1147     symbol x("x"), y("y");
1148     lst l(x, 2, y, x+y);
1149     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1150     // ...
1151 @end example
1152
1153 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1154 a list and the @code{op()} method to access individual elements:
1155
1156 @example
1157     // ...
1158     cout << l.nops() << endl;                   // prints '4'
1159     cout << l.op(2) << " " << l.op(0) << endl;  // prints 'y x'
1160     // ...
1161 @end example
1162
1163 Finally you can append or prepend an expression to a list with the
1164 @code{append()} and @code{prepend()} methods:
1165
1166 @example
1167     // ...
1168     l.append(4*x);   // l is now [x, 2, y, x+y, 4*x]
1169     l.prepend(0);    // l is now [0, x, 2, y, x+y, 4*x]
1170 @}
1171 @end example
1172
1173
1174 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1175 @c    node-name, next, previous, up
1176 @section Mathematical functions
1177 @cindex @code{function} (class)
1178 @cindex trigonometric function
1179 @cindex hyperbolic function
1180
1181 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1182 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1183 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1184
1185 These functions are all objects of class @code{function}.  They accept one
1186 or more expressions as arguments and return one expression.  If the arguments
1187 are not numerical, the evaluation of the function may be halted, as it
1188 does in the next example:
1189
1190 @cindex Gamma function
1191 @cindex @code{subs()}
1192 @example
1193 #include <ginac/ginac.h>
1194 using namespace GiNaC;
1195
1196 int main()
1197 @{
1198     symbol x("x"), y("y");
1199     
1200     ex foo = x+y/2;
1201     cout << "tgamma(" << foo << ") -> " << tgamma(foo) << endl;
1202     ex bar = foo.subs(y==1);
1203     cout << "tgamma(" << bar << ") -> " << tgamma(bar) << endl;
1204     ex foobar = bar.subs(x==7);
1205     cout << "tgamma(" << foobar << ") -> " << tgamma(foobar) << endl;
1206 @}
1207 @end example
1208
1209 This program shows how the function returns itself twice and finally an
1210 expression that may be really useful:
1211
1212 @example
1213 tgamma(x+(1/2)*y) -> tgamma(x+(1/2)*y)
1214 tgamma(x+1/2) -> tgamma(x+1/2)
1215 tgamma(15/2) -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1216 @end example
1217
1218 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1219 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1220 this.
1221
1222
1223 @node Relations, Methods and Functions, Mathematical functions, Basic Concepts
1224 @c    node-name, next, previous, up
1225 @section Relations
1226 @cindex @code{relational} (class)
1227
1228 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1229 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1230 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1231 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1232 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1233 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1234
1235 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications of
1236 the @code{.subs()} method show how objects of class relational are used
1237 as arguments.  There they provide an intuitive syntax for substitutions.
1238 They can also used for creating systems of equations that are to be
1239 solved for unknown variables.  More applications of this class will
1240 appear throughout the next chapters.
1241
1242
1243
1244 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Relations, Top
1245 @c    node-name, next, previous, up
1246 @chapter Methods and Functions
1247 @cindex polynomial
1248
1249 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
1250 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
1251 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
1252 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
1253 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
1254 example:
1255
1256 @example
1257 #include <ginac/ginac.h>
1258 using namespace GiNaC;
1259
1260 int main()
1261 @{
1262     ex x = numeric(1.0);
1263     
1264     cout << "As method:   " << sin(x).evalf() << endl;
1265     cout << "As function: " << evalf(sin(x)) << endl;
1266 @}
1267 @end example
1268
1269 @cindex @code{subs()}
1270 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
1271 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
1272 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
1273 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
1274 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
1275 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
1276 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
1277 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
1278 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
1279 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
1280 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
1281 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
1282 as simple inline functions which just call the corresponding method and
1283 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
1284 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
1285 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
1286 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
1287 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
1288 avoided.
1289
1290 @menu
1291 * Information About Expressions::
1292 * Substituting Symbols::
1293 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
1294 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
1295 * Symbolic Differentiation::
1296 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
1297 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
1298 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
1299 @end menu
1300
1301
1302 @node Information About Expressions, Substituting Symbols, Methods and Functions, Methods and Functions
1303 @c    node-name, next, previous, up
1304 @section Getting information about expressions
1305
1306 @subsection Checking expression types
1307 @cindex @code{is_ex_of_type()}
1308 @cindex @code{info()}
1309
1310 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
1311 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
1312 GiNaC provides two functions for this (the first one is actually a macro):
1313
1314 @example
1315 bool is_ex_of_type(const ex & e, TYPENAME t);
1316 bool ex::info(unsigned flag);
1317 @end example
1318
1319 @code{is_ex_of_type()} allows you to check whether the top-level object of
1320 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{t}
1321 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
1322 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
1323
1324 @example
1325 @{
1326     symbol x("x");
1327     ex e1 = 42;
1328     ex e2 = 4*x - 3;
1329     is_ex_of_type(e1, numeric);  // true
1330     is_ex_of_type(e2, numeric);  // false
1331     is_ex_of_type(e1, add);      // false
1332     is_ex_of_type(e2, add);      // true
1333     is_ex_of_type(e1, mul);      // false
1334     is_ex_of_type(e2, mul);      // false
1335 @}
1336 @end example
1337
1338 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
1339 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
1340 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
1341 table:
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{numeric}
1347 @tab @dots{}a number (same as @code{is_ex_of_type(..., numeric)})
1348 @item @code{real}
1349 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1350 @item @code{rational}
1351 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1352 @item @code{integer}
1353 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1354 @item @code{crational}
1355 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1356 @item @code{cinteger}
1357 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1358 @item @code{positive}
1359 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1360 @item @code{negative}
1361 @tab @dots{}not complex and less than 0
1362 @item @code{nonnegative}
1363 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
1364 @item @code{posint}
1365 @tab @dots{}an integer greater than 0
1366 @item @code{negint}
1367 @tab @dots{}an integer less than 0
1368 @item @code{nonnegint}
1369 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
1370 @item @code{even}
1371 @tab @dots{}an even integer
1372 @item @code{odd}
1373 @tab @dots{}an odd integer
1374 @item @code{prime}
1375 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1376 @item @code{relation}
1377 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_ex_of_type(..., relational)})
1378 @item @code{relation_equal}
1379 @tab @dots{}a @code{==} relation
1380 @item @code{relation_not_equal}
1381 @tab @dots{}a @code{!=} relation
1382 @item @code{relation_less}
1383 @tab @dots{}a @code{<} relation
1384 @item @code{relation_less_or_equal}
1385 @tab @dots{}a @code{<=} relation
1386 @item @code{relation_greater}
1387 @tab @dots{}a @code{>} relation
1388 @item @code{relation_greater_or_equal}
1389 @tab @dots{}a @code{>=} relation
1390 @item @code{symbol}
1391 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_ex_of_type(..., symbol)})
1392 @item @code{list}
1393 @tab @dots{}a list (same as @code{is_ex_of_type(..., lst)})
1394 @item @code{polynomial}
1395 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
1396 @item @code{integer_polynomial}
1397 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
1398 @item @code{cinteger_polynomial}
1399 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
1400 @item @code{rational_polynomial}
1401 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
1402 @item @code{crational_polynomial}
1403 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
1404 @item @code{rational_function}
1405 @tab @dots{}a rational function
1406 @end multitable
1407 @end cartouche
1408
1409
1410 @subsection Accessing subexpressions
1411 @cindex @code{nops()}
1412 @cindex @code{op()}
1413 @cindex @code{has()}
1414 @cindex container
1415 @cindex @code{relational} (class)
1416
1417 GiNaC provides the two methods
1418
1419 @example
1420 unsigned ex::nops();
1421 ex ex::op(unsigned i);
1422 @end example
1423
1424 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
1425 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
1426 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
1427 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
1428 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
1429 and @code{op(1)} the exponent.
1430
1431 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
1432 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
1433
1434 @example
1435 ex ex::lhs();
1436 ex ex::rhs();
1437 @end example
1438
1439 Finally, the method
1440
1441 @example
1442 bool ex::has(const ex & other);
1443 @end example
1444
1445 checks whether an expression contains the given subexpression @code{other}.
1446 This only works reliably if @code{other} is of an atomic class such as a
1447 @code{numeric} or a @code{symbol}. It is, e.g., not possible to verify that
1448 @code{a+b+c} contains @code{a+c} (or @code{a+b}) as a subexpression.
1449
1450
1451 @subsection Comparing expressions
1452 @cindex @code{is_equal()}
1453 @cindex @code{is_zero()}
1454
1455 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
1456 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
1457 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
1458 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
1459 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
1460 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
1461 @code{false}.
1462
1463 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
1464 represented by an object of the @code{relational} class (@xref{Relations}.)
1465 which is not evaluated until (explicitly or implicitely) cast to a @code{bool}.
1466
1467 There are also two methods
1468
1469 @example
1470 bool ex::is_equal(const ex & other);
1471 bool ex::is_zero();
1472 @end example
1473
1474 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
1475 respectively.
1476
1477 @strong{Warning:} You will also find a @code{ex::compare()} method in the
1478 GiNaC header files. This method is however only to be used internally by
1479 GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
1480 expressions will give very surprising results.
1481
1482
1483 @node Substituting Symbols, Polynomial Arithmetic, Information About Expressions, Methods and Functions
1484 @c    node-name, next, previous, up
1485 @section Substituting symbols
1486 @cindex @code{subs()}
1487
1488 Symbols can be replaced with expressions via the @code{.subs()} method:
1489
1490 @example
1491 ex ex::subs(const ex & e);
1492 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls);
1493 @end example
1494
1495 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
1496 @samp{symbol == expression} or a @code{lst} of such relationals. E.g.
1497
1498 @example
1499 @{
1500     symbol x("x"), y("y");
1501     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
1502     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
1503     ex e2 = x*y + x;
1504     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
1505 @}
1506 @end example
1507
1508 will print @samp{73} and @samp{-10}, respectively.
1509
1510 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
1511 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
1512
1513 The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the symbols and
1514 one for the expressions to be substituted (both lists must contain the same
1515 number of elements). Using this form, you would write @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))}
1516 to exchange @samp{x} and @samp{y}.
1517
1518
1519 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Substituting Symbols, Methods and Functions
1520 @c    node-name, next, previous, up
1521 @section Polynomial arithmetic
1522
1523 @subsection Expanding and collecting
1524 @cindex @code{expand()}
1525 @cindex @code{collect()}
1526
1527 A polynomial in one or more variables has many equivalent
1528 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
1529 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
1530 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
1531 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
1532 representations are the recursive ones where one collects for exponents
1533 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
1534 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
1535 repeated.  In our expample, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
1536 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
1537 x*z}.
1538
1539 To bring an expression into expanded form, its method
1540
1541 @example
1542 ex ex::expand();
1543 @end example
1544
1545 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
1546 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
1547 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
1548 orderings of terms in such sums!
1549
1550 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
1551 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
1552 being polynomials in the remaining variables.  The method
1553 @code{collect()} accomplishes this task:
1554
1555 @example
1556 ex ex::collect(const symbol & s);
1557 @end example
1558
1559 Note that the original polynomial needs to be in expanded form in order
1560 to be able to find the coefficients properly.
1561
1562 @subsection Degree and coefficients
1563 @cindex @code{degree()}
1564 @cindex @code{ldegree()}
1565 @cindex @code{coeff()}
1566
1567 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
1568 methods
1569
1570 @example
1571 int ex::degree(const symbol & s);
1572 int ex::ldegree(const symbol & s);
1573 @end example
1574
1575 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
1576 on rational functions, returning the asymptotic degree). To extract
1577 a coefficient with a certain power from an expanded polynomial you use
1578
1579 @example
1580 ex ex::coeff(const symbol & s, int n);
1581 @end example
1582
1583 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
1584
1585 @example
1586 ex ex::lcoeff(const symbol & s);
1587 ex ex::tcoeff(const symbol & s);
1588 @end example
1589
1590 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
1591 respectively.
1592
1593 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
1594 polynomial is analyzed:
1595
1596 @example
1597 #include <ginac/ginac.h>
1598 using namespace GiNaC;
1599
1600 int main()
1601 @{
1602     symbol x("x"), y("y");
1603     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
1604                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
1605     ex Poly = PolyInp.expand();
1606     
1607     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
1608         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
1609              << Poly.coeff(x,i) << endl;
1610     @}
1611     cout << "As polynomial in y: " 
1612          << Poly.collect(y) << endl;
1613 @}
1614 @end example
1615
1616 When run, it returns an output in the following fashion:
1617
1618 @example
1619 The x^0-coefficient is y^2+11*y
1620 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
1621 The x^2-coefficient is -1
1622 The x^3-coefficient is 4*y
1623 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
1624 @end example
1625
1626 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
1627 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
1628 within the user's sphere of influence.
1629
1630
1631 @subsection Polynomial division
1632 @cindex polynomial division
1633 @cindex quotient
1634 @cindex remainder
1635 @cindex pseudo-remainder
1636 @cindex @code{quo()}
1637 @cindex @code{rem()}
1638 @cindex @code{prem()}
1639 @cindex @code{divide()}
1640
1641 The two functions
1642
1643 @example
1644 ex quo(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
1645 ex rem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
1646 @end example
1647
1648 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
1649 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
1650
1651 The additional function
1652
1653 @example
1654 ex prem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
1655 @end example
1656
1657 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
1658 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
1659
1660 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
1661
1662 @example
1663 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
1664 @end example
1665
1666 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
1667 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
1668 in which case the value of @code{q} is undefined.
1669
1670
1671 @subsection Unit, content and primitive part
1672 @cindex @code{unit()}
1673 @cindex @code{content()}
1674 @cindex @code{primpart()}
1675
1676 The methods
1677
1678 @example
1679 ex ex::unit(const symbol & x);
1680 ex ex::content(const symbol & x);
1681 ex ex::primpart(const symbol & x);
1682 @end example
1683
1684 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
1685 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
1686 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
1687 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
1688 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
1689 original polynomial.
1690
1691
1692 @subsection GCD and LCM
1693 @cindex GCD
1694 @cindex LCM
1695 @cindex @code{gcd()}
1696 @cindex @code{lcm()}
1697
1698 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
1699 multiple have the synopsis
1700
1701 @example
1702 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
1703 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
1704 @end example
1705
1706 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
1707 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
1708 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
1709 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
1710 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
1711
1712 @example
1713 #include <ginac/ginac.h>
1714 using namespace GiNaC;
1715
1716 int main()
1717 @{
1718     symbol x("x"), y("y"), z("z");
1719     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
1720     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
1721
1722     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
1723     // x + 5*y + 4*z
1724     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
1725     // 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
1726 @}
1727 @end example
1728
1729
1730 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
1731 @c    node-name, next, previous, up
1732 @section Rational expressions
1733
1734 @subsection The @code{normal} method
1735 @cindex @code{normal()}
1736 @cindex simplification
1737 @cindex temporary replacement
1738
1739 Some basic from of simplification of expressions is called for frequently.
1740 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
1741 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
1742 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
1743 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
1744 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
1745
1746 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
1747 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
1748 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
1749 functions before performing the normalization, and re-substituting these
1750 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
1751 @code{.to_rational()}, described below.
1752
1753 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
1754 simplified in this little program:
1755
1756 @example
1757 #include <ginac/ginac.h>
1758 using namespace GiNaC;
1759
1760 int main()
1761 @{
1762     symbol x("x");
1763     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
1764     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
1765     cout << "t1 is " << t1.normal() << endl;
1766     cout << "t2 is " << t2.normal() << endl;
1767 @}
1768 @end example
1769
1770 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
1771 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
1772 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
1773
1774
1775 @subsection Numerator and denominator
1776 @cindex numerator
1777 @cindex denominator
1778 @cindex @code{numer()}
1779 @cindex @code{denom()}
1780
1781 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
1782
1783 @example
1784 ex ex::numer();
1785 ex ex::denom();
1786 @end example
1787
1788 These functions will first normalize the expression as described above and
1789 then return the numerator or denominator, respectively.
1790
1791
1792 @subsection Converting to a rational expression
1793 @cindex @code{to_rational()}
1794
1795 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
1796 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
1797 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
1798 above. You do this by calling
1799
1800 @example
1801 ex ex::to_rational(lst &l);
1802 @end example
1803
1804 on the expression to be converted. The supplied @code{lst} will be filled
1805 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in
1806 a format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
1807 already contain a list of replacements from an earlier application of
1808 @code{.to_rational()}, so it's possible to use it on multiple expressions
1809 and get consistent results.
1810
1811 For example,
1812
1813 @example
1814 @{
1815     symbol x("x");
1816     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
1817     ex b = sin(x) + cos(x);
1818     ex q;
1819     lst l;
1820     divide(a.to_rational(l), b.to_rational(l), q);
1821     cout << q.subs(l) << endl;
1822 @}
1823 @end example
1824
1825 will print @samp{sin(x)-cos(x)}.
1826
1827
1828 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
1829 @c    node-name, next, previous, up
1830 @section Symbolic differentiation
1831 @cindex differentiation
1832 @cindex @code{diff()}
1833 @cindex chain rule
1834 @cindex product rule
1835
1836 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
1837 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
1838 the derivatives of all the monomials:
1839
1840 @example
1841 #include <ginac/ginac.h>
1842 using namespace GiNaC;
1843
1844 int main()
1845 @{
1846     symbol x("x"), y("y"), z("z");
1847     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
1848
1849     cout << P.diff(x,2) << endl;  // 20*x^3 + 2
1850     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
1851     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
1852 @}
1853 @end example
1854
1855 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
1856 returns the @var{n}th derivative.
1857
1858 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
1859 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
1860 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
1861 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
1862 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
1863 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
1864 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
1865 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
1866 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
1867 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
1868 lines:
1869
1870 @cindex Euler numbers
1871 @example
1872 #include <ginac/ginac.h>
1873 using namespace GiNaC;
1874
1875 ex EulerNumber(unsigned n)
1876 @{
1877     symbol x;
1878     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
1879     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
1880 @}
1881
1882 int main()
1883 @{
1884     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
1885         cout << EulerNumber(i) << endl;
1886     return 0;
1887 @}
1888 @end example
1889
1890 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
1891 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
1892 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
1893
1894
1895 @node Series Expansion, Built-in Functions, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
1896 @c    node-name, next, previous, up
1897 @section Series expansion
1898 @cindex @code{series()}
1899 @cindex Taylor expansion
1900 @cindex Laurent expansion
1901 @cindex @code{pseries} (class)
1902
1903 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
1904 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
1905 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
1906 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
1907 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
1908 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
1909 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
1910 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
1911 term).  A sample application from special relativity could read:
1912
1913 @example
1914 #include <ginac/ginac.h>
1915 using namespace GiNaC;
1916
1917 int main()
1918 @{
1919     symbol v("v"), c("c");
1920     
1921     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
1922     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
1923     
1924     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
1925          << mass_nonrel << endl;
1926     
1927     cout << "the inverse square of this series is " << endl
1928          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
1929 @}
1930 @end example
1931
1932 Only calling the series method makes the last output simplify to
1933 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
1934 series raised to the power @math{-2}.
1935
1936 @cindex M@'echain's formula
1937 As another instructive application, let us calculate the numerical 
1938 value of Archimedes' constant
1939 @tex
1940 $\pi$
1941 @end tex
1942 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
1943 using M@'echain's amazing formula
1944 @tex
1945 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
1946 @end tex
1947 @ifnottex
1948 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
1949 @end ifnottex
1950 We may expand the arcus tangent around @code{0} and insert the fractions
1951 @code{1/5} and @code{1/239}.  But, as we have seen, a series in GiNaC
1952 carries an order term with it and the question arises what the system is
1953 supposed to do when the fractions are plugged into that order term.  The
1954 solution is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip
1955 the order term off:
1956
1957 @example
1958 #include <ginac/ginac.h>
1959 using namespace GiNaC;
1960
1961 ex mechain_pi(int degr)
1962 @{
1963     symbol x;
1964     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
1965     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
1966                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
1967     return pi_approx;
1968 @}
1969
1970 int main()
1971 @{
1972     ex pi_frac;
1973     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
1974         pi_frac = mechain_pi(i);
1975         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
1976              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
1977     @}
1978     return 0;
1979 @}
1980 @end example
1981
1982 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
1983 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
1984 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
1985 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
1986 program, it will type out:
1987
1988 @example
1989 2:      3804/1195
1990         3.1832635983263598326
1991 4:      5359397032/1706489875
1992         3.1405970293260603143
1993 6:      38279241713339684/12184551018734375
1994         3.141621029325034425
1995 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
1996         3.141591772182177295
1997 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
1998         3.1415926824043995174
1999 @end example
2000
2001
2002 @node Built-in Functions, Input/Output, Series Expansion, Methods and Functions
2003 @c    node-name, next, previous, up
2004 @section Predefined mathematical functions
2005
2006 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
2007
2008 @cartouche
2009 @multitable @columnfractions .30 .70
2010 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
2011 @item @code{abs(x)}
2012 @tab absolute value
2013 @item @code{csgn(x)}
2014 @tab complex sign
2015 @item @code{sqrt(x)}
2016 @tab square root (not a GiNaC function proper but equivalent to @code{pow(x, numeric(1, 2)})
2017 @item @code{sin(x)}
2018 @tab sine
2019 @item @code{cos(x)}
2020 @tab cosine
2021 @item @code{tan(x)}
2022 @tab tangent
2023 @item @code{asin(x)}
2024 @tab inverse sine
2025 @item @code{acos(x)}
2026 @tab inverse cosine
2027 @item @code{atan(x)}
2028 @tab inverse tangent
2029 @item @code{atan2(y, x)}
2030 @tab inverse tangent with two arguments
2031 @item @code{sinh(x)}
2032 @tab hyperbolic sine
2033 @item @code{cosh(x)}
2034 @tab hyperbolic cosine
2035 @item @code{tanh(x)}
2036 @tab hyperbolic tangent
2037 @item @code{asinh(x)}
2038 @tab inverse hyperbolic sine
2039 @item @code{acosh(x)}
2040 @tab inverse hyperbolic cosine
2041 @item @code{atanh(x)}
2042 @tab inverse hyperbolic tangent
2043 @item @code{exp(x)}
2044 @tab exponential function
2045 @item @code{log(x)}
2046 @tab natural logarithm
2047 @item @code{zeta(x)}
2048 @tab Riemann's zeta function
2049 @item @code{zeta(n, x)}
2050 @tab derivatives of Riemann's zeta function
2051 @item @code{tgamma(x)}
2052 @tab Gamma function
2053 @item @code{lgamma(x)}
2054 @tab logarithm of Gamma function
2055 @item @code{beta(x, y)}
2056 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
2057 @item @code{psi(x)}
2058 @tab psi (digamma) function
2059 @item @code{psi(n, x)}
2060 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
2061 @item @code{factorial(n)}
2062 @tab factorial function
2063 @item @code{binomial(n, m)}
2064 @tab binomial coefficients
2065 @item @code{Order(x)}
2066 @tab order term function in truncated power series
2067 @item @code{Derivative(x, l)}
2068 @tab inert partial differentiation operator (used internally)
2069 @end multitable
2070 @end cartouche
2071
2072 @cindex branch cut
2073 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
2074 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard.  In particular:
2075 the natural logarithm (@code{log}) and the square root (@code{sqrt})
2076 both have their branch cuts running along the negative real axis where
2077 the points on the axis itself belong to the upper part.
2078
2079
2080 @node Input/Output, Extending GiNaC, Built-in Functions, Methods and Functions
2081 @c    node-name, next, previous, up
2082 @section Input and output of expressions
2083 @cindex I/O
2084
2085 @subsection Expression output
2086 @cindex printing
2087 @cindex output of expressions
2088
2089 The easiest way to print an expression is to write it to a stream:
2090
2091 @example
2092 @{
2093     symbol x("x");
2094     ex e = 4.5+pow(x,2)*3/2;
2095     cout << e << endl;    // prints '4.5+3/2*x^2'
2096     // ...
2097 @end example
2098
2099 The output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
2100 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
2101 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
2102 is printed as @samp{x^2}).
2103
2104 To print an expression in a way that can be directly used in a C or C++
2105 program, you use the method
2106
2107 @example
2108 void ex::printcsrc(ostream & os, unsigned type, const char *name);
2109 @end example
2110
2111 This outputs a line in the form of a variable definition @code{<type> <name> = <expression>}.
2112 The possible types are defined in @file{ginac/flags.h} (@code{csrc_types})
2113 and mostly affect the way in which floating point numbers are written:
2114
2115 @example
2116     // ...
2117     e.printcsrc(cout, csrc_types::ctype_float, "f");
2118     e.printcsrc(cout, csrc_types::ctype_double, "d");
2119     e.printcsrc(cout, csrc_types::ctype_cl_N, "n");
2120     // ...
2121 @end example
2122
2123 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to @code{x*x}):
2124
2125 @example
2126 float f = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
2127 double d = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
2128 cl_N n = (cl_F("3.0")/cl_F("2.0"))*(x*x)+cl_F("4.5");
2129 @end example
2130
2131 Finally, there are the two methods @code{printraw()} and @code{printtree()} intended for GiNaC
2132 developers, that provide a dump of the internal structure of an expression for
2133 debugging purposes:
2134
2135 @example
2136     // ...
2137     e.printraw(cout); cout << endl << endl;
2138     e.printtree(cout);
2139 @}
2140 @end example
2141
2142 produces
2143
2144 @example
2145 ex(+((power(ex(symbol(name=x,serial=1,hash=150875740,flags=11)),ex(numeric(2)),hash=2,flags=3),numeric(3/2)),,hash=0,flags=3))
2146
2147 type=Q25GiNaC3add, hash=0 (0x0), flags=3, nops=2
2148     power: hash=2 (0x2), flags=3
2149         x (symbol): serial=1, hash=150875740 (0x8fe2e5c), flags=11
2150         2 (numeric): hash=2147483714 (0x80000042), flags=11
2151     3/2 (numeric): hash=2147483745 (0x80000061), flags=11
2152     -----
2153     overall_coeff
2154     4.5L0 (numeric): hash=2147483723 (0x8000004b), flags=11
2155     =====
2156 @end example
2157
2158 The @code{printtree()} method is also available in @command{ginsh} as the
2159 @code{print()} function.
2160
2161
2162 @subsection Expression input
2163 @cindex input of expressions
2164
2165 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
2166 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
2167 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
2168 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
2169 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
2170
2171 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
2172 list of symbols to be used:
2173
2174 @example
2175 @{
2176     symbol x("x"), y("y");
2177     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
2178 @}
2179 @end example
2180
2181 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
2182 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
2183 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
2184 the list it will throw an exception.
2185
2186 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
2187
2188 @example
2189 #include <iostream>
2190 #include <string>
2191 #include <stdexcept>
2192 #include <ginac/ginac.h>
2193 using namespace GiNaC;
2194
2195 int main()
2196 @{
2197      symbol x("x");
2198      string s;
2199
2200      cout << "Enter an expression containing 'x': ";
2201      getline(cin, s);
2202
2203      try @{
2204          ex e(s, lst(x));
2205          cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
2206          cout << e.diff(x) << ".\n";
2207      @} catch (exception &p) @{
2208          cerr << p.what() << endl;
2209      @}
2210 @}
2211 @end example
2212
2213
2214 @subsection Archiving
2215 @cindex @code{archive} (class)
2216 @cindex archiving
2217
2218 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
2219 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
2220 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
2221 expression a unique name:
2222
2223 @example
2224 #include <ginac/ginac.h>
2225 #include <fstream>
2226 using namespace GiNaC;
2227
2228 int main()
2229 @{
2230     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2231
2232     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
2233     ex bar = foo + 1;
2234
2235     archive a;
2236     a.archive_ex(foo, "foo");
2237     a.archive_ex(bar, "the second one");
2238     // ...
2239 @end example
2240
2241 The archive can then be written to a file:
2242
2243 @example
2244     // ...
2245     ofstream out("foobar.gar");
2246     out << a;
2247     out.close();
2248     // ...
2249 @end example
2250
2251 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
2252 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
2253
2254 @cindex @command{viewgar}
2255 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
2256 the contents of GiNaC archive files:
2257
2258 @example
2259 $ viewgar foobar.gar
2260 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
2261 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
2262 @end example
2263
2264 The point of writing archive files is of course that they can later be
2265 read in again:
2266
2267 @example
2268     // ...
2269     archive a2;
2270     ifstream in("foobar.gar");
2271     in >> a2;
2272     // ...
2273 @end example
2274
2275 And the stored expressions can be retrieved by their name:
2276
2277 @example
2278     // ...
2279     lst syms(x, y);
2280
2281     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
2282     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
2283
2284     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
2285     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
2286     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
2287 @}
2288 @end example
2289
2290 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
2291 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
2292 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
2293 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
2294 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
2295 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
2296 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
2297 the program, altough both would appear as @samp{x} when printed.
2298
2299
2300
2301 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
2302 @c    node-name, next, previous, up
2303 @chapter Extending GiNaC
2304
2305 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
2306 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
2307 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
2308 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
2309 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
2310 authors---they will happily incorporate them into future versions.
2311
2312 @menu
2313 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
2314 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
2315 @end menu
2316
2317
2318 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
2319 @c    node-name, next, previous, up
2320 @section What doesn't belong into GiNaC
2321
2322 @cindex @command{ginsh}
2323 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
2324 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
2325 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
2326 language.  There are no loops or conditional expressions in
2327 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
2328 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
2329 complete CAS with a language of its own, graphical capabilites and all
2330 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
2331 the future.
2332
2333 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
2334 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
2335 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
2336 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
2337 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
2338 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
2339 provided by @acronym{CLN} are much better suited.
2340
2341
2342 @node Symbolic functions, A Comparison With Other CAS, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
2343 @c    node-name, next, previous, up
2344 @section Symbolic functions
2345
2346 The easiest and most instructive way to start with is probably to
2347 implement your own function.  Objects of class @code{function} are
2348 inserted into the system via a kind of `registry'.  They get a serial
2349 number that is used internally to identify them but you usually need not
2350 worry about this.  What you have to care for are functions that are
2351 called when the user invokes certain methods.  These are usual
2352 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
2353 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
2354 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
2355 function that is called when one wishes to @code{eval} it.  It could
2356 look something like this:
2357
2358 @example
2359 static ex cos_eval_method(const ex & x)
2360 @{
2361     // if (!x%(2*Pi)) return 1
2362     // if (!x%Pi) return -1
2363     // if (!x%Pi/2) return 0
2364     // care for other cases...
2365     return cos(x).hold();
2366 @}
2367 @end example
2368
2369 @cindex @code{hold()}
2370 @cindex evaluation
2371 The last line returns @code{cos(x)} if we don't know what else to do and
2372 stops a potential recursive evaluation by saying @code{.hold()}, which
2373 sets a flag to the expression signaling that it has been evaluated.  We
2374 should also implement a method for numerical evaluation and since we are
2375 lazy we sweep the problem under the rug by calling someone else's
2376 function that does so, in this case the one in class @code{numeric}:
2377
2378 @example
2379 static ex cos_evalf(const ex & x)
2380 @{
2381     return cos(ex_to_numeric(x));
2382 @}
2383 @end example
2384
2385 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
2386 what the first derivative is (higher derivatives (@code{.diff(x,3)} for
2387 instance are then handled automatically by @code{basic::diff} and
2388 @code{ex::diff}):
2389
2390 @example
2391 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
2392 @{
2393     return -sin(x);
2394 @}
2395 @end example
2396
2397 @cindex product rule
2398 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
2399 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
2400 case the function has more than one parameter and its main application
2401 is for correct handling of the chain rule.  For Taylor expansion, it is
2402 enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
2403 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
2404 write another method for Laurent expansion around that point.
2405
2406 Now that all the ingrediences for @code{cos} have been set up, we need
2407 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
2408 going to descibe how it expands, please consult your preprocessor if you
2409 are curious:
2410
2411 @example
2412 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
2413                        evalf_func(cos_evalf).
2414                        derivative_func(cos_deriv));
2415 @end example
2416
2417 The first argument is the function's name used for calling it and for
2418 output.  The second binds the corresponding methods as options to this
2419 object.  Options are separated by a dot and can be given in an arbitrary
2420 order.  GiNaC functions understand several more options which are always
2421 specified as @code{.option(params)}, for example a method for series
2422 expansion @code{.series_func(cos_series)}.  Again, if no series
2423 expansion method is given, GiNaC defaults to simple Taylor expansion,
2424 which is correct if there are no poles involved as is the case for the
2425 @code{cos} function.  The way GiNaC handles poles in case there are any
2426 is best understood by studying one of the examples, like the Gamma
2427 (@code{tgamma}) function for instance.  (In essence the function first
2428 checks if there is a pole at the evaluation point and falls back to
2429 Taylor expansion if there isn't.  Then, the pole is regularized by some
2430 suitable transformation.)  Also, the new function needs to be declared
2431 somewhere.  This may also be done by a convenient preprocessor macro:
2432
2433 @example
2434 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
2435 @end example
2436
2437 The suffix @code{_1P} stands for @emph{one parameter}.  Of course, this
2438 implementation of @code{cos} is very incomplete and lacks several safety
2439 mechanisms.  Please, have a look at the real implementation in GiNaC.
2440 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
2441 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes.  We
2442 have done our best to avoid macros where we can.)
2443
2444 That's it. May the source be with you!
2445
2446
2447 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Symbolic functions, Top
2448 @c    node-name, next, previous, up
2449 @chapter A Comparison With Other CAS
2450 @cindex advocacy
2451
2452 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
2453 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
2454 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
2455 disadvantages over these systems.
2456
2457 @menu
2458 * Advantages::                       Stengths of the GiNaC approach.
2459 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
2460 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
2461 @end menu
2462
2463 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
2464 @c    node-name, next, previous, up
2465 @section Advantages
2466
2467 GiNaC has several advantages over traditional Computer
2468 Algebra Systems, like 
2469
2470 @itemize @bullet
2471
2472 @item
2473 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
2474 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
2475 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
2476 in common C++, which is standardized.
2477
2478 @cindex STL
2479 @item
2480 structured data types: you can build up structured data types using
2481 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
2482 using unnamed lists of lists of lists.
2483
2484 @item
2485 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
2486 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
2487 nice for novice programmers, but dangerous.
2488     
2489 @item
2490 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
2491 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
2492 debuggers, visualization tools, documentation generators...
2493
2494 @item
2495 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
2496 separating interface and implementation.
2497
2498 @item
2499 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
2500 that it is free and available with source code.  And there are excellent
2501 C++-compilers for free, too.
2502     
2503 @item
2504 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
2505 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
2506 usually only extend on a high level by writing in the language defined
2507 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
2508 fix bugs in a traditional system.
2509
2510 @item
2511 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
2512 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
2513 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
2514 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
2515 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
2516 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
2517 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
2518 interactive interface to the @acronym{Cint} C++ interpreter has been put
2519 together (called @acronym{GiNaC-cint}) that allows an interactive
2520 scripting interface consistent with the C++ language.
2521
2522 @item
2523 seemless integration: it is somewhere between difficult and impossible
2524 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
2525 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
2526 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
2527 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
2528 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
2529 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
2530 system (i.e. @emph{Yacas}).
2531
2532 @item
2533 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
2534 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
2535 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
2536 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
2537 speed with other CAS.
2538
2539 @end itemize
2540
2541
2542 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
2543 @c    node-name, next, previous, up
2544 @section Disadvantages
2545
2546 Of course it also has some disadvantages:
2547
2548 @itemize @bullet
2549
2550 @item
2551 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
2552 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
2553 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
2554 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
2555 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
2556 not planned for the near future).
2557
2558 @item
2559 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
2560 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
2561 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
2562 integer and arbitrary precision arithmetics) can be compiled only on
2563 systems with a recently new C++ compiler from the GNU Compiler
2564 Collection (@acronym{GCC}).@footnote{This is because CLN uses
2565 PROVIDE/REQUIRE like macros to let the compiler gather all static
2566 initializations, which works for GNU C++ only.}  GiNaC uses recent
2567 language features like explicit constructors, mutable members, RTTI,
2568 @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant literally.
2569 Recent @acronym{GCC} versions starting at 2.95, although itself not yet
2570 ANSI compliant, support all needed features.
2571     
2572 @end itemize
2573
2574
2575 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
2576 @c    node-name, next, previous, up
2577 @section Why C++?
2578
2579 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
2580 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
2581 possible), separation between interface and implementation is not
2582 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
2583 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
2584 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
2585 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
2586 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
2587 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
2588 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
2589 any other programming language.
2590
2591
2592 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
2593 @c    node-name, next, previous, up
2594 @appendix Internal Structures
2595
2596 @menu
2597 * Expressions are reference counted::
2598 * Internal representation of products and sums::
2599 @end menu
2600
2601 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
2602 @c    node-name, next, previous, up
2603 @appendixsection Expressions are reference counted
2604
2605 @cindex reference counting
2606 @cindex copy-on-write
2607 @cindex garbage collection
2608 An expression is extremely light-weight since internally it works like a
2609 handle to the actual representation and really holds nothing more than a
2610 pointer to some other object. What this means in practice is that
2611 whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the first
2612 no copying process is involved. Instead, the copying takes place as soon
2613 as you try to change the second.  Consider the simple sequence of code:
2614
2615 @example
2616 #include <ginac/ginac.h>
2617 using namespace GiNaC;
2618
2619 int main()
2620 @{
2621     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2622     ex e1, e2;
2623
2624     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
2625     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
2626     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
2627     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
2628     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
2629 @}
2630 @end example
2631
2632 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
2633 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
2634 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
2635 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
2636 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
2637 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
2638 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
2639 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
2640 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
2641 the object it points to too and deletes the object from memory if that
2642 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
2643 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
2644 can be:
2645
2646 @example
2647 #include <ginac/ginac.h>
2648 using namespace GiNaC;
2649
2650 int main()
2651 @{
2652     symbol x("x"), y("y");
2653
2654     ex e1 = x + 3*y;
2655     ex e2 = pow(e1, 3);
2656     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
2657     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
2658          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
2659          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
2660 @}
2661 @end example
2662
2663 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
2664 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
2665 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
2666 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
2667 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
2668 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
2669 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
2670 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
2671 @code{3*e1^2}.
2672
2673 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
2674 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
2675 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
2676 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
2677 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
2678 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
2679 semantics, we recommend you have a look at the
2680 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
2681 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
2682 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
2683
2684
2685 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
2686 @c    node-name, next, previous, up
2687 @appendixsection Internal representation of products and sums
2688
2689 @cindex representation
2690 @cindex @code{add}
2691 @cindex @code{mul}
2692 @cindex @code{power}
2693 Although it should be completely transparent for the user of
2694 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
2695 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
2696 unexpanded symbolic expression 
2697 @tex
2698 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
2699 @end tex
2700 @ifnottex
2701 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
2702 @end ifnottex
2703 which could naively be represented by a tree of linear containers for
2704 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
2705 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
2706 fashion:
2707
2708 @image{repnaive}
2709
2710 @cindex pair-wise representation
2711 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
2712 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
2713 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
2714 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
2715 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
2716 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
2717 becomes much more flat:
2718
2719 @image{reppair}
2720
2721 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
2722 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
2723 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
2724 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
2725 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
2726 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
2727 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
2728 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
2729 representation, however, since they are still carrying a trivial
2730 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
2731 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
2732 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
2733 representation for
2734 @tex
2735 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
2736 @end tex
2737 @ifnottex
2738 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
2739 @end ifnottex
2740
2741 @image{repreal}
2742
2743 @cindex radical
2744 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
2745 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
2746 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
2747 same abstract class: the data representation is the same, only the
2748 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
2749 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
2750 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
2751
2752
2753 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
2754 @c    node-name, next, previous, up
2755 @appendix Package Tools
2756
2757 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
2758 setting the correct command line options for the compiler and linker
2759 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
2760
2761 @menu
2762 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
2763 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
2764 @end menu
2765
2766
2767 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
2768 @c    node-name, next, previous, up
2769 @section @command{ginac-config}
2770 @cindex ginac-config
2771
2772 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
2773 the compiler and linker command line options required to compile and
2774 link a program with the GiNaC library.
2775
2776 @command{ginac-config} takes the following flags:
2777
2778 @table @samp
2779 @item --version
2780 Prints out the version of GiNaC installed.
2781 @item --cppflags
2782 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
2783 @item --libs
2784 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
2785 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
2786 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
2787 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
2788 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
2789 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
2790 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
2791 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
2792 @end table
2793
2794 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
2795 script, as described below. It, however, can also be used directly from
2796 the command line using backquotes to compile a simple program. For
2797 example:
2798
2799 @example
2800 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
2801 @end example
2802
2803 This command line might expand to (for example):
2804
2805 @example
2806 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
2807   -lginac -lcln -lstdc++
2808 @end example
2809
2810 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
2811 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
2812
2813
2814 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
2815 @c    node-name, next, previous, up
2816 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
2817 @cindex AM_PATH_GINAC
2818
2819 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
2820 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
2821
2822 @example
2823 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
2824 @end example
2825
2826 This macro:
2827
2828 @itemize @bullet
2829
2830 @item
2831 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
2832 either found in the user's path, or from the environment variable
2833 @env{GINACLIB_CONFIG}.
2834
2835 @item
2836 Tests the installed libraries to make sure that their version
2837 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
2838 if not specified)
2839
2840 @item
2841 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
2842 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
2843 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
2844 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
2845 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
2846
2847 @item
2848 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
2849 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
2850
2851 @end itemize
2852
2853 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
2854 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
2855 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
2856 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
2857 aclocal the @samp{-I} option when running it.
2858
2859 @menu
2860 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
2861 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
2862 @end menu
2863
2864
2865 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
2866 @c    node-name, next, previous, up
2867 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
2868
2869 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
2870 the configure script.
2871
2872 Notes:
2873
2874 @itemize @bullet
2875
2876 @item
2877 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
2878 to be found by your system's dynamic linker.
2879   
2880 This is generally done by
2881
2882 @display
2883 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
2884 @end display
2885
2886 or by
2887    
2888 @display
2889 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
2890 @end display
2891
2892 or, as a last resort, 
2893  
2894 @display
2895 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
2896 running configure, for instance:
2897
2898 @example
2899 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
2900 @end example
2901 @end display
2902
2903 @item
2904 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
2905 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
2906 name of the executable
2907
2908 @item
2909 If you move the GiNaC package from its installed location,
2910 you will either need to modify @command{ginac-config} script
2911 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
2912
2913 @end itemize
2914
2915 Advanced note:
2916
2917 @itemize @bullet
2918 @item
2919 configure flags
2920   
2921 @example
2922 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
2923 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
2924 @end example
2925
2926 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
2927 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
2928 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
2929 @end itemize
2930
2931
2932 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
2933 @c    node-name, next, previous, up
2934 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
2935
2936 The following shows how to build a simple package using automake
2937 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
2938
2939 @example
2940 #include <ginac/ginac.h>
2941 using namespace GiNaC;
2942
2943 int main(void)
2944 @{
2945     symbol x("x");
2946     ex a = sin(x); 
2947     cout << "Derivative of " << a << " is " << a.diff(x) << endl;
2948     return 0;
2949 @}
2950 @end example
2951
2952 You should first read the introductory portions of the automake
2953 Manual, if you are not already familiar with it.
2954
2955 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
2956 configure script:
2957
2958 @example
2959 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
2960 AC_INIT(simple.cpp)
2961 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
2962
2963 AC_PROG_CXX
2964 AC_PROG_INSTALL
2965 AC_LANG_CPLUSPLUS
2966
2967 AM_PATH_GINAC(0.4.0, [
2968   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
2969   CPPFLAGS="$CFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
2970 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
2971
2972 AC_OUTPUT(Makefile)
2973 @end example
2974
2975 The only command in this which is not standard for automake
2976 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
2977
2978 That command does the following:
2979
2980 @display
2981 If a GiNaC version greater than 0.4.0 is found, adds @env{$GINACLIB_LIBS} to 
2982 @env{$LIBS} and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, dies
2983 with the error message `need to have GiNaC installed'
2984 @end display
2985
2986 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
2987
2988 @example
2989 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
2990 bin_PROGRAMS = simple
2991 simple_SOURCES = simple.cpp
2992 @end example
2993
2994 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
2995 from a single sourcefile @file{simple.cpp}. Since every program
2996 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
2997 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
2998 want to specify them on a per-program basis: for instance by
2999 adding the lines:
3000
3001 @example
3002 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
3003 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
3004 @end example
3005
3006 to the @file{Makefile.am}.
3007
3008 To try this example out, create a new directory and add the three
3009 files above to it.
3010
3011 Now execute the following commands:
3012
3013 @example
3014 $ automake --add-missing
3015 $ aclocal
3016 $ autoconf
3017 @end example
3018
3019 You now have a package that can be built in the normal fashion
3020
3021 @example
3022 $ ./configure
3023 $ make
3024 $ make install
3025 @end example
3026
3027
3028 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
3029 @c    node-name, next, previous, up
3030 @appendix Bibliography
3031
3032 @itemize @minus{}
3033
3034 @item
3035 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
3036
3037 @item
3038 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
3039
3040 @item
3041 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
3042
3043 @item
3044 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
3045
3046 @item
3047 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
3048 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
3049
3050 @item
3051 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
3052 J.H. Davenport, Y. Siret, and E. Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
3053 Academic Press, London
3054
3055 @end itemize
3056
3057
3058 @node Concept Index, , Bibliography, Top
3059 @c    node-name, next, previous, up
3060 @unnumbered Concept Index
3061
3062 @printindex cp
3063
3064 @bye
3065