]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Tutorial: how to create noncommutative symbols?
[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 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2015 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{http://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2015 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 linguistic 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{} 1999-2015 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., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, 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 <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
483 required for the configuration, it can be downloaded from
484 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
485 Last but not least, the CLN library
486 is used extensively and needs to be installed on your system.
487 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
488 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
489 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
490 it will refuse to continue.
491
492
493 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
494 @c    node-name, next, previous, up
495 @section Configuration
496 @cindex configuration
497 @cindex Autoconf
498
499 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
500 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
501 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
502 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
503 prompts, all customization must be done either via command line
504 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
505 the complete set of which can be listed by calling it with the
506 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
507 described in what follows:
508
509 @itemize @bullet
510
511 @item
512 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
513 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
514 when developing because it considerably speeds up compilation.
515
516 @item
517 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
518 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
519 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
520 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
521 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
522
523 @item
524 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
525 the library installed in some other directory than
526 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
527
528 @item
529 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
530 to have the header files installed in some other directory than
531 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
532 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
533 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
534 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
535 keep the header files separated from others.  This avoids some
536 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
537 to be considered A Good Thing (tm).
538
539 @item
540 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
541 want to have the documentation installed in some other directory than
542 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
543
544 @end itemize
545
546 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
547 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
548 override the default in your path.  (The @command{configure} script
549 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
550 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
551 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
552 environment variable, like optimization, debugging information and
553 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
554 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
555 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
556 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
557 must generate @command{configure} along with the various
558 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
559 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
560
561 The whole process is illustrated in the following two
562 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
563 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
564 your login shell.)
565
566 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
567 everything is in default paths:
568
569 @example
570 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
571 $ ./configure
572 @end example
573
574 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
575 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
576 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
577 debugging information are switched on:
578
579 @example
580 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
581 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
582 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
583 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
584 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
585 @end example
586
587
588 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Building GiNaC
591 @cindex building GiNaC
592
593 After proper configuration you should just build the whole
594 library by typing
595 @example
596 $ make
597 @end example
598 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
599 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
600 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
601 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
602
603 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
604 regression tests by typing
605
606 @example
607 $ make check
608 @end example
609
610 This will compile some sample programs, run them and check the output
611 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
612 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
613 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
614 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
615 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
616 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
617 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
618 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
619 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
620 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
621 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
622 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
623 to fiddle around with optimization.
624
625 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
626 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
627 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
628
629 @example
630 $ make html
631 $ make dvi
632 $ make ps
633 $ make pdf
634 @end example
635
636 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
637 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
638 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
639 @var{target} there in case something went wrong.
640
641
642 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
643 @c    node-name, next, previous, up
644 @section Installing GiNaC
645 @cindex installation
646
647 To install GiNaC on your system, simply type
648
649 @example
650 $ make install
651 @end example
652
653 As described in the section about configuration the files will be
654 installed in the following directories (the directories will be created
655 if they don't already exist):
656
657 @itemize @bullet
658
659 @item
660 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
661 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
662 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
663 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
664 will be established as well.
665
666 @item
667 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
668 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
669
670 @item
671 All documentation (info) will be stuffed into
672 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
673 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
674
675 @end itemize
676
677 For the sake of completeness we will list some other useful make
678 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
679 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
680 distclean} removes all files generated by the configuration and
681 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
682 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
683 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
684 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
685 work after you have called @command{make distclean} since the
686 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
687 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
688 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
689 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
690 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
691 do it by hand since you now know where all the files went during
692 installation.}.
693
694
695 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
696 @c    node-name, next, previous, up
697 @chapter Basic concepts
698
699 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
700 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
701 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
702 meta-class for storing all mathematical objects.
703
704 @menu
705 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
706 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
707 * Error handling::               How the library reports errors.
708 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
709 * Symbols::                      Symbolic objects.
710 * Numbers::                      Numerical objects.
711 * Constants::                    Pre-defined constants.
712 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
713 * Lists::                        Lists of expressions.
714 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
715 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
716 * Integrals::                    Symbolic integrals.
717 * Matrices::                     Matrices.
718 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
719 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
720 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
721 @end menu
722
723
724 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section Expressions
727 @cindex expression (class @code{ex})
728 @cindex @code{has()}
729
730 The most common class of objects a user deals with is the expression
731 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
732 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
733 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
734 little collection of valid expressions:
735
736 @example
737 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
738 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
739 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
740 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
741 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
742 @end example
743
744 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
745 contain other expressions thus creating a tree of expressions
746 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
747 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
748 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
749 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
750 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
751 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
752
753 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
754 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
755 @code{ex}.
756
757 @subsection Note: Expressions and STL containers
758
759 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
760 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
761 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
762 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
763
764 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
765 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
766 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
767 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
768 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
769
770 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
771 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
772
773 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
774 expressions.
775
776
777 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
778 @c    node-name, next, previous, up
779 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
780 @cindex evaluation
781
782 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
783 them and put them into a canonical form. Some examples:
784
785 @example
786 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
787 ex MyEx2 = x - x;        // 0
788 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
789 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
790 @end example
791
792 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
793 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
794
795 @itemize @bullet
796 @item
797 at most of complexity
798 @tex
799 $O(n\log n)$
800 @end tex
801 @ifnottex
802 @math{O(n log n)}
803 @end ifnottex
804 @item
805 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
806 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
807 @end itemize
808
809 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
810 behave in an entirely obvious way at first glance:
811
812 @itemize
813 @item
814 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
815 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
816 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
817 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
818 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
819 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
820 canonical form.
821 @item
822 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
823 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
824 example
825 @example
826 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
827 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
828 @end example
829 @end itemize
830
831 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
832 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
833 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
834 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
835 some immediate simplifications.
836
837 @cindex @code{eval()}
838 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
839
840 @example
841 ex ex::eval(int level = 0) const;
842 ex basic::eval(int level = 0) const;
843 @end example
844
845 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
846 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
847 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
848 re-evaluate their results.
849
850
851 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
852 @c    node-name, next, previous, up
853 @section Error handling
854 @cindex exceptions
855 @cindex @code{pole_error} (class)
856
857 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
858 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
859 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
860 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
861 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
862 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
863 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
864 at a singularity.
865
866 The @code{pole_error} class has a member function
867
868 @example
869 int pole_error::degree() const;
870 @end example
871
872 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
873 logarithmic or the order is undefined).
874
875 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
876 the main program even if you don't want to do any special error handling.
877 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
878 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
879 usually only aborts the program without giving any information what went
880 wrong.
881
882 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
883 exceptions generated by GiNaC:
884
885 @example
886 #include <iostream>
887 #include <stdexcept>
888 #include <ginac/ginac.h>
889 using namespace std;
890 using namespace GiNaC;
891
892 int main()
893 @{
894     try @{
895         ...
896         // code using GiNaC
897         ...
898     @} catch (exception &p) @{
899         cerr << p.what() << endl;
900         return 1;
901     @}
902     return 0;
903 @}
904 @end example
905
906
907 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
908 @c    node-name, next, previous, up
909 @section The class hierarchy
910
911 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
912 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
913 helpers) are internally derived from one abstract base class called
914 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
915 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
916 containers of expressions and so on.
917
918 @cindex container
919 @cindex atom
920 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
921 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
922 some of the relations among the classes:
923
924 @ifnotinfo
925 @image{classhierarchy}
926 @end ifnotinfo
927 @ifinfo
928 <PICTURE MISSING>
929 @end ifinfo
930
931 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
932 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
933 duplication if two or more classes derived from them share certain
934 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
935 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
936 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
937 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
938 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
939 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
940 are stored in the different classes:
941
942 @cartouche
943 @multitable @columnfractions .22 .78
944 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
945 @item @code{constant} @tab Constants like 
946 @tex
947 $\pi$
948 @end tex
949 @ifnottex
950 @math{Pi}
951 @end ifnottex
952 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
953 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
954 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
955 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
956 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
957 @tex
958 $\sqrt{2}$
959 @end tex
960 @ifnottex
961 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
962 @end ifnottex
963 @dots{}
964 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
965 @item @code{function} @tab A symbolic function like
966 @tex
967 $\sin 2x$
968 @end tex
969 @ifnottex
970 @math{sin(2*x)}
971 @end ifnottex
972 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
973 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
974 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
975 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
976 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
977 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
978 @item @code{varidx} @tab Index with variance
979 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
980 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
981 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
982 @end multitable
983 @end cartouche
984
985
986 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
987 @c    node-name, next, previous, up
988 @section Symbols
989 @cindex @code{symbol} (class)
990 @cindex hierarchy of classes
991
992 @cindex atom
993 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
994 manipulation what atoms are for chemistry.
995
996 A typical symbol definition looks like this:
997 @example
998 symbol x("x");
999 @end example
1000
1001 This definition actually contains three very different things:
1002 @itemize
1003 @item a C++ variable named @code{x}
1004 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1005   represents the symbol in a GiNaC expression
1006 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1007   exclusively for printing expressions holding the symbol
1008 @end itemize
1009
1010 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1011 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1012 throws them away during compilation.
1013
1014 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1015 @example
1016 symbol x;
1017 @end example
1018
1019 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1020 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1021 the output of your calculations will become more readable if you give your
1022 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1023 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1024
1025 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1026 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1027 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1028 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1029 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1030 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1031 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1032 indeterminate.
1033
1034 Observe:
1035 @example
1036 ex f(int n)
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     return pow(x, n);
1040 @}
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     symbol x("x");
1045     ex e = f(6);
1046
1047     cout << e << endl;
1048      // prints "x^6" which looks right, but...
1049
1050     cout << e.degree(x) << endl;
1051      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1052      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1053      // prints "0".
1054 @}
1055 @end example
1056
1057 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1058 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1059 @example
1060 ex f(int n, const ex & x)
1061 @{
1062     return pow(x, n);
1063 @}
1064
1065 int main()
1066 @{
1067     symbol x("x");
1068
1069     // Now, f() uses the same symbol.
1070     ex e = f(6, x);
1071
1072     cout << e.degree(x) << endl;
1073      // prints "6", as expected
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1078 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1079 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1080 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1081 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1082 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1083 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1084 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1085 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1086 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1087 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1088
1089 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1090 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1091 like this one:
1092 @example
1093 const symbol & get_symbol(const string & s)
1094 @{
1095     static map<string, symbol> directory;
1096     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1097     if (i != directory.end())
1098         return i->second;
1099     else
1100         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1101 @}
1102 @end example
1103
1104 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1105 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1106 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1107 this:
1108 @example
1109 ex f(int n)
1110 @{
1111     return pow(get_symbol("x"), n);
1112 @}
1113
1114 int main()
1115 @{
1116     ex e = f(6);
1117
1118     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1119     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1120      // prints "6"
1121 @}
1122 @end example
1123
1124 Instead of creating symbols from strings we could also have
1125 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1126 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1127 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1128 @code{ostringstream}.
1129
1130 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1131 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1132 definitions.
1133
1134 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1135 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1136 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1137 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1138
1139 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1140 in LaTeX output:
1141 @example
1142 symbol x("x", "\\Box");
1143 @end example
1144
1145 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1146 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1147 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1148 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1149 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1150
1151 @cindex @code{subs()}
1152 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1153 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1154 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1155 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1156 (@pxref{Substituting expressions}).
1157
1158 @cindex @code{realsymbol()}
1159 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1160 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1161 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1162 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1163 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1164 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1165 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1166 allows you to specify
1167 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1168 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1169
1170 @cindex @code{possymbol()}
1171 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1172 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1173 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1174
1175
1176 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1177 @c    node-name, next, previous, up
1178 @section Numbers
1179 @cindex @code{numeric} (class)
1180
1181 @cindex GMP
1182 @cindex CLN
1183 @cindex rational
1184 @cindex fraction
1185 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1186 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1187 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1188 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1189 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1190 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1191 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1192 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1193 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1194 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1195 several useful things: First, it introduces the complex number field
1196 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1197 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1198 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1199 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1200 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1201 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1202 calculation of some useful constants.
1203
1204 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1205 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1206 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1207 integers, construction from C-float and construction from a string:
1208
1209 @example
1210 #include <iostream>
1211 #include <ginac/ginac.h>
1212 using namespace GiNaC;
1213
1214 int main()
1215 @{
1216     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1217     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1218     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1219     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1220     // Trott's constant in scientific notation:
1221     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1222     
1223     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1224     ...
1225 @end example
1226
1227 @cindex @code{I}
1228 @cindex complex numbers
1229 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1230 name @code{I}:
1231
1232 @example
1233     ...
1234     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1235     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1236 @}
1237 @end example
1238
1239 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1240 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1241 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1242 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1243 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1244 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1245 also.
1246
1247 @cindex @code{Digits}
1248 @cindex accuracy
1249 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1250 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1251 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1252 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1253 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1254 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1255 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1256 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1257 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1258 digits:
1259
1260 @example
1261 #include <iostream>
1262 #include <ginac/ginac.h>
1263 using namespace std;
1264 using namespace GiNaC;
1265
1266 void foo()
1267 @{
1268     numeric three(3.0), one(1.0);
1269     numeric x = one/three;
1270
1271     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1272     cout << x << endl;
1273     cout << Pi.evalf() << endl;
1274 @}
1275
1276 int main()
1277 @{
1278     foo();
1279     Digits = 60;
1280     foo();
1281     return 0;
1282 @}
1283 @end example
1284
1285 The above example prints the following output to screen:
1286
1287 @example
1288 in 17 digits:
1289 0.33333333333333333334
1290 3.1415926535897932385
1291 in 60 digits:
1292 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1293 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1294 @end example
1295
1296 @cindex rounding
1297 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1298 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1299 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1300 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1301 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1302 architectures with different word size, the above output might even
1303 differ with regard to actually computed digits.
1304
1305 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1306 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1307 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1308
1309 @subsection Tests on numbers
1310
1311 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1312 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1313 kind of information from them like asking whether that number is
1314 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1315 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1316 certain CLN functions.)
1317
1318 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1319 some multiple of its denominator and test what comes out:
1320
1321 @example
1322 #include <iostream>
1323 #include <ginac/ginac.h>
1324 using namespace std;
1325 using namespace GiNaC;
1326
1327 // some very important constants:
1328 const numeric twentyone(21);
1329 const numeric ten(10);
1330 const numeric five(5);
1331
1332 int main()
1333 @{
1334     numeric answer = twentyone;
1335
1336     answer /= five;
1337     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1338     answer *= ten;
1339     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1340 @}
1341 @end example
1342
1343 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1344 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1345 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1346 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1347 the result is automatically converted to a pure integer again.
1348 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1349 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1350 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1351 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1352 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1353 can be applied is listed in the following table.
1354
1355 @cartouche
1356 @multitable @columnfractions .30 .70
1357 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1358 @item @code{.is_zero()}
1359 @tab @dots{}equal to zero
1360 @item @code{.is_positive()}
1361 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1362 @item @code{.is_negative()}
1363 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1364 @item @code{.is_integer()}
1365 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1366 @item @code{.is_pos_integer()}
1367 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1368 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1369 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1370 @item @code{.is_even()}
1371 @tab @dots{}an even integer
1372 @item @code{.is_odd()}
1373 @tab @dots{}an odd integer
1374 @item @code{.is_prime()}
1375 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1376 @item @code{.is_rational()}
1377 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1378 @item @code{.is_real()}
1379 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1380 @item @code{.is_cinteger()}
1381 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1382 @item @code{.is_crational()}
1383 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1384 @end multitable
1385 @end cartouche
1386
1387 @page
1388
1389 @subsection Numeric functions
1390
1391 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1392 evaluated immediately:
1393
1394 @cartouche
1395 @multitable @columnfractions .30 .70
1396 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1397 @item @code{inverse(z)}
1398 @tab returns @math{1/z}
1399 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1400 @item @code{pow(a, b)}
1401 @tab exponentiation @math{a^b}
1402 @item @code{abs(z)}
1403 @tab absolute value
1404 @item @code{real(z)}
1405 @tab real part
1406 @cindex @code{real()}
1407 @item @code{imag(z)}
1408 @tab imaginary part
1409 @cindex @code{imag()}
1410 @item @code{csgn(z)}
1411 @tab complex sign (returns an @code{int})
1412 @item @code{step(x)}
1413 @tab step function (returns an @code{numeric})
1414 @item @code{numer(z)}
1415 @tab numerator of rational or complex rational number
1416 @item @code{denom(z)}
1417 @tab denominator of rational or complex rational number
1418 @item @code{sqrt(z)}
1419 @tab square root
1420 @item @code{isqrt(n)}
1421 @tab integer square root
1422 @cindex @code{isqrt()}
1423 @item @code{sin(z)}
1424 @tab sine
1425 @item @code{cos(z)}
1426 @tab cosine
1427 @item @code{tan(z)}
1428 @tab tangent
1429 @item @code{asin(z)}
1430 @tab inverse sine
1431 @item @code{acos(z)}
1432 @tab inverse cosine
1433 @item @code{atan(z)}
1434 @tab inverse tangent
1435 @item @code{atan(y, x)}
1436 @tab inverse tangent with two arguments
1437 @item @code{sinh(z)}
1438 @tab hyperbolic sine
1439 @item @code{cosh(z)}
1440 @tab hyperbolic cosine
1441 @item @code{tanh(z)}
1442 @tab hyperbolic tangent
1443 @item @code{asinh(z)}
1444 @tab inverse hyperbolic sine
1445 @item @code{acosh(z)}
1446 @tab inverse hyperbolic cosine
1447 @item @code{atanh(z)}
1448 @tab inverse hyperbolic tangent
1449 @item @code{exp(z)}
1450 @tab exponential function
1451 @item @code{log(z)}
1452 @tab natural logarithm
1453 @item @code{Li2(z)}
1454 @tab dilogarithm
1455 @item @code{zeta(z)}
1456 @tab Riemann's zeta function
1457 @item @code{tgamma(z)}
1458 @tab gamma function
1459 @item @code{lgamma(z)}
1460 @tab logarithm of gamma function
1461 @item @code{psi(z)}
1462 @tab psi (digamma) function
1463 @item @code{psi(n, z)}
1464 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1465 @item @code{factorial(n)}
1466 @tab factorial function @math{n!}
1467 @item @code{doublefactorial(n)}
1468 @tab double factorial function @math{n!!}
1469 @cindex @code{doublefactorial()}
1470 @item @code{binomial(n, k)}
1471 @tab binomial coefficients
1472 @item @code{bernoulli(n)}
1473 @tab Bernoulli numbers
1474 @cindex @code{bernoulli()}
1475 @item @code{fibonacci(n)}
1476 @tab Fibonacci numbers
1477 @cindex @code{fibonacci()}
1478 @item @code{mod(a, b)}
1479 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1480 @cindex @code{mod()}
1481 @item @code{smod(a, b)}
1482 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1483 @cindex @code{smod()}
1484 @item @code{irem(a, b)}
1485 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1486 @cindex @code{irem()}
1487 @item @code{irem(a, b, q)}
1488 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1489 @item @code{iquo(a, b)}
1490 @tab integer quotient
1491 @cindex @code{iquo()}
1492 @item @code{iquo(a, b, r)}
1493 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1494 @item @code{gcd(a, b)}
1495 @tab greatest common divisor
1496 @item @code{lcm(a, b)}
1497 @tab least common multiple
1498 @end multitable
1499 @end cartouche
1500
1501 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1502 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1503 as polynomial algorithms.
1504
1505 @subsection Converting numbers
1506
1507 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1508 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1509 class provides a couple of methods for this purpose:
1510
1511 @cindex @code{to_int()}
1512 @cindex @code{to_long()}
1513 @cindex @code{to_double()}
1514 @cindex @code{to_cl_N()}
1515 @example
1516 int numeric::to_int() const;
1517 long numeric::to_long() const;
1518 double numeric::to_double() const;
1519 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1520 @end example
1521
1522 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1523 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1524 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1525 rational number will return a floating-point approximation. Both
1526 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1527 part of complex numbers.
1528
1529
1530 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1531 @c    node-name, next, previous, up
1532 @section Constants
1533 @cindex @code{constant} (class)
1534
1535 @cindex @code{Pi}
1536 @cindex @code{Catalan}
1537 @cindex @code{Euler}
1538 @cindex @code{evalf()}
1539 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1540 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1541
1542 The predefined known constants are:
1543
1544 @cartouche
1545 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1546 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1547 @item @code{Pi}
1548 @tab Archimedes' constant
1549 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1550 @item @code{Catalan}
1551 @tab Catalan's constant
1552 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1553 @item @code{Euler}
1554 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1555 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1556 @end multitable
1557 @end cartouche
1558
1559
1560 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1561 @c    node-name, next, previous, up
1562 @section Sums, products and powers
1563 @cindex polynomial
1564 @cindex @code{add}
1565 @cindex @code{mul}
1566 @cindex @code{power}
1567
1568 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1569 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1570 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1571 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1572 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1573 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1574 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1575 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1576
1577 @example
1578     ...
1579     symbol a("a"), b("b");
1580     ex MyTerm = 1+a*b;
1581     ...
1582 @end example
1583
1584 @cindex @code{pow()}
1585 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1586 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1587 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1588 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1589 have several counterintuitive and undesired effects:
1590
1591 @itemize @bullet
1592 @item
1593 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1594 @item
1595 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1596 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1597 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1598 @item
1599 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1600 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1601 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1602 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1603 has requested @code{2^3}.)
1604 @end itemize
1605
1606 @cindex @command{ginsh}
1607 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1608 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1609 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1610 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1611 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1612 not exist at all in C++).
1613
1614 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1615 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1616 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1617 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1618 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1619 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1620 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1621 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1622 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1623 @code{x} negative.
1624
1625 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1626 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1627 and safe simplifications are carried out like transforming
1628 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1629
1630
1631 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1632 @c    node-name, next, previous, up
1633 @section Lists of expressions
1634 @cindex @code{lst} (class)
1635 @cindex lists
1636 @cindex @code{nops()}
1637 @cindex @code{op()}
1638 @cindex @code{append()}
1639 @cindex @code{prepend()}
1640 @cindex @code{remove_first()}
1641 @cindex @code{remove_last()}
1642 @cindex @code{remove_all()}
1643
1644 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1645 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1646 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1647 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1648 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1649
1650 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1651 expressions:
1652
1653 @example
1654 @{
1655     symbol x("x"), y("y");
1656     lst l;
1657     l = x, 2, y, x+y;
1658     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1659     // in that order
1660     ...
1661 @end example
1662
1663 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1664 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1665
1666 @example
1667     ...
1668     // This produces the same list 'l' as above:
1669     // lst l(x, 2, y, x+y);
1670     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1671     ...
1672 @end example
1673
1674 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1675 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1676 individual elements:
1677
1678 @example
1679     ...
1680     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1681     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1682     ...
1683 @end example
1684
1685 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1686 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1687 sequential access to the elements of a list is possible with the
1688 iterator types provided by the @code{lst} class:
1689
1690 @example
1691 typedef ... lst::const_iterator;
1692 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1693 lst::const_iterator lst::begin() const;
1694 lst::const_iterator lst::end() const;
1695 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1696 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1697 @end example
1698
1699 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1700
1701 @example
1702     ...
1703     // O(N)
1704     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1705         cout << *i << endl;
1706     ...
1707 @end example
1708
1709 which is one order faster than
1710
1711 @example
1712     ...
1713     // O(N^2)
1714     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1715         cout << l.op(i) << endl;
1716     ...
1717 @end example
1718
1719 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1720 the C++ standard library:
1721
1722 @example
1723     ...
1724     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1725     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1726
1727     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1728     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1729     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1730     ...
1731 @end example
1732
1733 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1734 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1739     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1740     ...
1741 @end example
1742
1743 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1744 and @code{prepend()} methods:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1749     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1754 and @code{remove_last()}:
1755
1756 @example
1757     ...
1758     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1759     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1760     ...
1761 @end example
1762
1763 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1764
1765 @example
1766     ...
1767     l.remove_all();     // l is now empty
1768     ...
1769 @end example
1770
1771 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1772
1773 @example
1774     ...
1775     lst l1, l2;
1776     l1 = x, 2, y, x+y;
1777     l2 = 2, x+y, x, y;
1778     l1.sort();
1779     l2.sort();
1780     // l1 and l2 are now equal
1781     ...
1782 @end example
1783
1784 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1785 elements with @code{unique()}:
1786
1787 @example
1788     ...
1789     lst l3;
1790     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1791     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1792 @}
1793 @end example
1794
1795
1796 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1797 @c    node-name, next, previous, up
1798 @section Mathematical functions
1799 @cindex @code{function} (class)
1800 @cindex trigonometric function
1801 @cindex hyperbolic function
1802
1803 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1804 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1805 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1806
1807 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1808 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1809 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1810 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1811 the next example, showing how a function returns itself twice and
1812 finally an expression that may be really useful:
1813
1814 @cindex Gamma function
1815 @cindex @code{subs()}
1816 @example
1817     ...
1818     symbol x("x"), y("y");    
1819     ex foo = x+y/2;
1820     cout << tgamma(foo) << endl;
1821      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1822     ex bar = foo.subs(y==1);
1823     cout << tgamma(bar) << endl;
1824      // -> tgamma(x+1/2)
1825     ex foobar = bar.subs(x==7);
1826     cout << tgamma(foobar) << endl;
1827      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1828     ...
1829 @end example
1830
1831 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1832 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1833 this.
1834
1835 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1836 functions, where the argument list is templated.  This means that
1837 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1838 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1839 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1840 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1841 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1842 point number of class @code{numeric} you should call
1843 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1844 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1845 wrapped inside an @code{ex}.
1846
1847
1848 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1849 @c    node-name, next, previous, up
1850 @section Relations
1851 @cindex @code{relational} (class)
1852
1853 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1854 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1855 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1856 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1857 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1858 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1859
1860 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1861 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1862 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1863 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1864 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1865 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1866 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1867 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1868 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1869 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1870 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1871 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1872 @code{expand()} must be called explicitly.
1873
1874 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1875 @c    node-name, next, previous, up
1876 @section Integrals
1877 @cindex @code{integral} (class)
1878
1879 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1880 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1881 1, you would write this as
1882 @example
1883 integral(x, 0, 1, x*x)
1884 @end example
1885 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1886 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1887 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1888 can be evaluated symbolically by calling the
1889 @example
1890 .eval_integ()
1891 @end example
1892 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1893 @example
1894 .evalf()
1895 @end example
1896 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1897 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1898 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1899 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1900 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1901 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1902 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1903 integrals is determined by the static member variable
1904 @example
1905 ex integral::relative_integration_error
1906 @end example
1907 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1908 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1909 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1910 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1911 variable
1912 @example
1913 int integral::max_integration_level
1914 @end example
1915 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1916 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1917 evaluation, is also available as
1918 @example
1919 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1920                    const ex & error)
1921 @end example
1922 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1923 last parameter of the function is optional and defaults to the
1924 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1925 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1926 a lookup table is used.
1927
1928 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1929 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1930 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1931 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1932 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1933 with respect to the integration variable.
1934
1935 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1936 @c    node-name, next, previous, up
1937 @section Matrices
1938 @cindex @code{matrix} (class)
1939
1940 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1941 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1942 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1943 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1944
1945 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1946 elements. The constructor
1947
1948 @example
1949 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1950 @end example
1951
1952 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1953 set to zero.
1954
1955 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1956 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1957 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1958
1959 @example
1960 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1961 @end example
1962
1963 The function
1964
1965 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1966 @example
1967 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1968 @end example
1969
1970 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1971
1972 There is also a set of functions for creating some special types of
1973 matrices:
1974
1975 @cindex @code{diag_matrix()}
1976 @cindex @code{unit_matrix()}
1977 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1978 @example
1979 ex diag_matrix(const lst & l);
1980 ex unit_matrix(unsigned x);
1981 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1982 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1983 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1984                    const string & tex_base_name);
1985 @end example
1986
1987 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1988 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1989 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1990 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1991 and the position of each element in the matrix.
1992
1993 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1994 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1995 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1996 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1997 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1998 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1999
2000 @cindex @code{sub_matrix()}
2001 @cindex @code{reduced_matrix()}
2002 @example
2003 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2004 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2005 @end example
2006
2007 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2008 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2009 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2010 that specify which row and column to remove:
2011
2012 @example
2013 @{
2014     matrix m(3,3);
2015     m = 11, 12, 13,
2016         21, 22, 23,
2017         31, 32, 33;
2018     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2019     // -> [[11,13],[31,33]]
2020     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2021     // -> [[22,23],[32,33]]
2022 @}
2023 @end example
2024
2025 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2026 operator:
2027
2028 @example
2029 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2030 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2031 @end example
2032
2033 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2034 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2035 @samp{[]} is not available.
2036
2037 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2038
2039 @example
2040 @{
2041     symbol a("a"), b("b");
2042
2043     matrix M(2, 2);
2044     M = a, 0,
2045         0, b;
2046     cout << M << endl;
2047      // -> [[a,0],[0,b]]
2048
2049     matrix M2(2, 2);
2050     M2(0, 0) = a;
2051     M2(1, 1) = b;
2052     cout << M2 << endl;
2053      // -> [[a,0],[0,b]]
2054
2055     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2056      // -> [[a,0],[0,b]]
2057
2058     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2059      // -> [[a,0],[0,b]]
2060
2061     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2062      // -> [[a,0],[0,b]]
2063
2064     cout << unit_matrix(3) << endl;
2065      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2066
2067     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2068      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2069 @}
2070 @end example
2071
2072 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2073 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2074 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2075 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2076 expression is zero or a zero matrix.
2077
2078 @cindex @code{transpose()}
2079 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2080 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2081
2082 @example
2083 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2084 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2085 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2086 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2087 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2088 matrix matrix::transpose() const;
2089 @end example
2090
2091 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2092 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2093 and @math{C}:
2094
2095 @example
2096 @{
2097     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2098     A =  1, 2,
2099          3, 4;
2100     B = -1, 0,
2101          2, 1;
2102     C =  8, 4,
2103          2, 1;
2104
2105     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2106     cout << result << endl;
2107      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2108     ...
2109 @}
2110 @end example
2111
2112 @cindex @code{evalm()}
2113 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2114 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2115 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2116 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2117 method
2118
2119 @example
2120 ex ex::evalm() const;
2121 @end example
2122
2123 to obtain the result:
2124
2125 @example
2126 @{
2127     ...
2128     ex e = A*B - 2*C;
2129     cout << e << endl;
2130      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2131     cout << e.evalm() << endl;
2132      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2133     ...
2134 @}
2135 @end example
2136
2137 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2138 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2139 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2140 dealing with non-commutative expressions.
2141
2142 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2143 to perform the arithmetic:
2144
2145 @example
2146 @{
2147     ...
2148     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2149     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2150     cout << e << endl;
2151      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2152     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2153      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2154 @}
2155 @end example
2156
2157 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2158 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2159 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2160 more information about using matrices with indices, and about indices in
2161 general.
2162
2163 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2164 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2165
2166 @cindex @code{determinant()}
2167 @cindex @code{trace()}
2168 @cindex @code{charpoly()}
2169 @cindex @code{rank()}
2170 @example
2171 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2172 ex matrix::trace() const;
2173 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2174 unsigned matrix::rank() const;
2175 @end example
2176
2177 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2178 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2179 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2180 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2181 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2182 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2183 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2184 quickly.
2185
2186 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2187 @cindex @code{solve()}
2188 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2189 method and linear systems may be solved with:
2190
2191 @example
2192 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2193                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2194 @end example
2195
2196 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2197 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2198 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2199 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2200 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2201 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2202 overdetermined, an exception is thrown.
2203
2204
2205 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2206 @c    node-name, next, previous, up
2207 @section Indexed objects
2208
2209 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2210 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2211 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2212 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2213
2214 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2215 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2216 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2217 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2218
2219 @cindex @code{idx} (class)
2220 @cindex @code{indexed} (class)
2221 @subsection Indexed quantities and their indices
2222
2223 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2224 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2225
2226 @itemize @bullet
2227
2228 @cindex contravariant
2229 @cindex covariant
2230 @cindex variance
2231 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2232 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2233 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2234 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2235 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2236 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2237
2238 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2239 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2240 one or more indices.
2241
2242 @end itemize
2243
2244 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2245 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2246 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2247 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2248 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2249 not visible in the output.
2250
2251 A simple example shall illustrate the concepts:
2252
2253 @example
2254 #include <iostream>
2255 #include <ginac/ginac.h>
2256 using namespace std;
2257 using namespace GiNaC;
2258
2259 int main()
2260 @{
2261     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2262     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2263
2264     symbol A("A");
2265     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2266      // -> A.i.j
2267     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2268      // -> A.i[3].j[3]
2269     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2270     ...
2271 @end example
2272
2273 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2274 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2275 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2276 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2277 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2278 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2279 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2280 @code{j}.
2281
2282 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2283 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2284 as shown above.
2285
2286 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2287 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2288 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2289 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2290 correct and will raise an exception:
2291
2292 @example
2293 symbol i("i"), j("j");
2294 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2295 @end example
2296
2297 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2298 be numeric, and index dimensions symbolic:
2299
2300 @example
2301     ...
2302     symbol B("B"), dim("dim");
2303     cout << 4 * indexed(A, i)
2304           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2305      // -> B.j.2.i+4*A.i
2306     ...
2307 @end example
2308
2309 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2310 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2311 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2312 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2313 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2314
2315 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2316 arbitrary expressions:
2317
2318 @example
2319     ...
2320     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2321      // -> (B+A).(1+2*i)
2322     ...
2323 @end example
2324
2325 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2326 get an error message from this but you will probably not be able to do
2327 anything useful with it.
2328
2329 @cindex @code{get_value()}
2330 @cindex @code{get_dim()}
2331 The methods
2332
2333 @example
2334 ex idx::get_value();
2335 ex idx::get_dim();
2336 @end example
2337
2338 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2339 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2340 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2341 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2342
2343 There are also the methods
2344
2345 @example
2346 bool idx::is_numeric();
2347 bool idx::is_symbolic();
2348 bool idx::is_dim_numeric();
2349 bool idx::is_dim_symbolic();
2350 @end example
2351
2352 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2353 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2354 about expressions}) returns information about the index value.
2355
2356 @cindex @code{varidx} (class)
2357 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2358
2359 @example
2360     ...
2361     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2362     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2363     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2364
2365     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2366      // -> A~mu~nu
2367     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2368      // -> A.mu~nu
2369     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2370      // -> A.mu~nu
2371     ...
2372 @end example
2373
2374 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2375 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2376 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2377 constructor. The two methods
2378
2379 @example
2380 bool varidx::is_covariant();
2381 bool varidx::is_contravariant();
2382 @end example
2383
2384 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2385 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2386 method
2387
2388 @example
2389 ex varidx::toggle_variance();
2390 @end example
2391
2392 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2393 variance. By using it you only have to define the index once.
2394
2395 @cindex @code{spinidx} (class)
2396 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2397 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2398
2399 @example
2400     ...
2401     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2402     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2403                                             // contravariant, undotted
2404     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2405     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2406     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2407
2408     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2409      // -> K~C~D
2410     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2411      // -> K.C~*D
2412     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2413      // -> K.*D~D
2414     ...
2415 @end example
2416
2417 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2418 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2419 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2420 methods
2421
2422 @example
2423 bool spinidx::is_dotted();
2424 bool spinidx::is_undotted();
2425 @end example
2426
2427 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2428 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2429 Finally, the two methods
2430
2431 @example
2432 ex spinidx::toggle_dot();
2433 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2434 @end example
2435
2436 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2437 and the same or opposite variance.
2438
2439 @subsection Substituting indices
2440
2441 @cindex @code{subs()}
2442 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2443 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2444 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2445 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2446
2447 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2448 by another index or expression:
2449
2450 @example
2451     ...
2452     ex e = indexed(A, mu_co);
2453     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2454      // -> A.mu becomes A~nu
2455     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2456      // -> A.mu becomes A~0
2457     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2458      // -> A.mu becomes A.0
2459     ...
2460 @end example
2461
2462 The third example shows that trying to replace an index with something that
2463 is not an index will substitute the index value instead.
2464
2465 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2466 another expression:
2467
2468 @example
2469     ...
2470     ex e = indexed(A, mu_co);
2471     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2472      // -> A.mu becomes A.nu
2473     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2474      // -> A.mu becomes A.0
2475     ...
2476 @end example
2477
2478 As you see, with the second method only the value of the index will get
2479 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2480 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2481 whole index by another one with the new dimension.
2482
2483 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2484 expected:
2485
2486 @example
2487     ...
2488     ex e = indexed(A, mu_co);
2489     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2490      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2491     ...
2492 @end example
2493
2494 @subsection Symmetries
2495 @cindex @code{symmetry} (class)
2496 @cindex @code{sy_none()}
2497 @cindex @code{sy_symm()}
2498 @cindex @code{sy_anti()}
2499 @cindex @code{sy_cycl()}
2500
2501 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2502 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2503 that is constructed with the helper functions
2504
2505 @example
2506 symmetry sy_none(...);
2507 symmetry sy_symm(...);
2508 symmetry sy_anti(...);
2509 symmetry sy_cycl(...);
2510 @end example
2511
2512 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2513 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2514 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2515 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2516 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2517 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2518 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2519 all indices.
2520
2521 Here are some examples of symmetry definitions:
2522
2523 @example
2524     ...
2525     // No symmetry:
2526     e = indexed(A, i, j);
2527     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2528     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2529
2530     // Symmetric in all three indices:
2531     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2532     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2533     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2534                                                // different canonical order
2535
2536     // Symmetric in the first two indices only:
2537     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2538     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2539
2540     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2541     // be contiguous):
2542     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2543     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2544
2545     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2546     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2547     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2548     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2549
2550     // Cyclic symmetry in all three indices:
2551     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2552     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2553
2554     // The following examples are invalid constructions that will throw
2555     // an exception at run time.
2556
2557     // An index may not appear multiple times:
2558     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2559     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2560
2561     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2562     // same number of indices:
2563     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2564
2565     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2566     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2567     ...
2568 @end example
2569
2570 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2571 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2572 full symmetry in the first six indices you would write
2573 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2574
2575 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2576 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2577
2578 @example
2579     ...
2580     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2581           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2582      // -> 2*A.j.i
2583     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2584           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2585      // -> 0
2586     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2587           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2588      // -> 0
2589     ...
2590 @end example
2591
2592 @cindex @code{get_free_indices()}
2593 @cindex dummy index
2594 @subsection Dummy indices
2595
2596 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2597 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2598 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2599 dummy nor free indices.
2600
2601 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2602 class and their value must be the same single symbol (an index like
2603 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2604 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2605 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2606
2607 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2608 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2609 of a sum are consistent:
2610
2611 @example
2612 @{
2613     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2614
2615     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2616     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2617
2618     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2619     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2620      // -> (.i,.k)
2621      // 'j' and 'l' are dummy indices
2622
2623     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2624     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2625
2626     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2627       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2628     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2629      // -> (~mu,~rho)
2630      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2631
2632     e = indexed(A, mu, mu);
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2634      // -> (~mu)
2635      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2636      // variance
2637
2638     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2639     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2640      // this will throw an exception:
2641      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2642 @}
2643 @end example
2644
2645 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2646 A dummy index summation like 
2647 @tex
2648 $ a_i b^i$
2649 @end tex
2650 @ifnottex
2651 a.i b~i
2652 @end ifnottex
2653 can be expanded for indices with numeric
2654 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2655 @tex
2656 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2657 @end tex
2658 @ifnottex
2659 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2660 @end ifnottex
2661 This is performed by the function
2662
2663 @example
2664     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2665 @end example
2666
2667 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2668 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2669 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2670 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2671 @tex
2672 $ a_i b^i$
2673 @end tex
2674 @ifnottex
2675 a.i b~i
2676 @end ifnottex
2677 will be expanded to
2678 @tex
2679 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2680 @end tex
2681 @ifnottex
2682 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2683 @end ifnottex
2684
2685
2686 @cindex @code{simplify_indexed()}
2687 @subsection Simplifying indexed expressions
2688
2689 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2690 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2691 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2692 there is the method
2693
2694 @example
2695 ex ex::simplify_indexed();
2696 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2697 @end example
2698
2699 that performs some more expensive operations:
2700
2701 @itemize @bullet
2702 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2703   @code{get_free_indices()} does
2704 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2705   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2706 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2707   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2708   next section)
2709 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2710   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2711 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2712   of two tensors with a user-defined value
2713 @end itemize
2714
2715 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2716 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2717 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2718
2719 @example
2720 @{
2721     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2722     idx i(i_sym, 3);
2723
2724     scalar_products sp;
2725     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2726     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2727     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2728
2729     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2730     cout << e << endl;
2731      // -> (B+A).i*(A+C).i
2732
2733     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2734          << endl;
2735      // -> 4+C.i*B.i
2736 @}
2737 @end example
2738
2739 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2740 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2741 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2742 taken, and the expression to replace it with.
2743
2744 @cindex @code{expand()}
2745 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2746 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2747 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2748
2749 @cindex @code{tensor} (class)
2750 @subsection Predefined tensors
2751
2752 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2753 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2754 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2755 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2756 indices are specified).
2757
2758 @cindex @code{delta_tensor()}
2759 @subsubsection Delta tensor
2760
2761 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2762 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2763 @code{delta_tensor()}:
2764
2765 @example
2766 @{
2767     symbol A("A"), B("B");
2768
2769     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2770         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2771
2772     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2773          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2774     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2775      // -> B.i.j*A.i.j
2776
2777     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2778      // -> 3
2779 @}
2780 @end example
2781
2782 @cindex @code{metric_tensor()}
2783 @subsubsection General metric tensor
2784
2785 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2786 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2787 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2788 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2789
2790 @example
2791 @{
2792     symbol A("A");
2793
2794     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2795
2796     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2797     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2798      // -> A~mu~rho
2799
2800     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2801     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2802      // -> g~mu~rho
2803
2804     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2805       * metric_tensor(nu, rho);
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> delta.mu~rho
2808
2809     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2810       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2811         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 4+A.rho~rho
2814 @}
2815 @end example
2816
2817 @cindex @code{lorentz_g()}
2818 @subsubsection Minkowski metric tensor
2819
2820 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2821 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2822 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2823 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2824 @samp{eta}):
2825
2826 @example
2827 @{
2828     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2829
2830     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2831       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2832     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2833      // -> 1
2834
2835     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2836       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> -1
2839 @}
2840 @end example
2841
2842 @cindex @code{spinor_metric()}
2843 @subsubsection Spinor metric tensor
2844
2845 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2846 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2847 It is output as @samp{eps}:
2848
2849 @example
2850 @{
2851     symbol psi("psi");
2852
2853     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2854     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2855
2856     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2857     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2858      // -> psi~A
2859
2860     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2861     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2862      // -> -psi~B
2863
2864     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> -psi.A
2867
2868     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2869     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2870      // -> psi.B
2871
2872     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2873     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2874      // -> 2
2875
2876     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2877     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2878      // -> -delta.A~C
2879 @}
2880 @end example
2881
2882 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2883
2884 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2885 @cindex @code{lorentz_eps()}
2886 @subsubsection Epsilon tensor
2887
2888 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2889 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2890 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2891 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2892 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2893 @samp{eps}.
2894
2895 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2896 dimensions:
2897
2898 @example
2899 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2900 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2901 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2902                bool pos_sig = false);
2903 @end example
2904
2905 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2906 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2907 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2908 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2909 tensor):
2910
2911 @example
2912 @{
2913     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2914            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2915     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2916         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2917     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2918      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2919
2920     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2921     symbol A("A"), B("B");
2922     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2923     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2924      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2925     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2926     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2927      // -> 0
2928 @}
2929 @end example
2930
2931 @subsection Linear algebra
2932
2933 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2934 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2935 and scalar products):
2936
2937 @example
2938 @{
2939     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2940     symbol x("x"), y("y");
2941
2942     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2943     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2944     A = 1, 2,
2945         3, 4;
2946     X = x, y;
2947
2948     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2949      // -> 5
2950
2951     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2952     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2953      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2954
2955     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2956     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2957      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2958 @}
2959 @end example
2960
2961 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2962 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2963 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2964
2965 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2966 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2967 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2968 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2969
2970 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2971 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2972 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2973 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2974 of the metric tensor.
2975
2976
2977 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2978 @c    node-name, next, previous, up
2979 @section Non-commutative objects
2980
2981 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2982 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2983 physics:
2984
2985 @itemize
2986 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2987 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2988 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2989 @end itemize
2990
2991 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2992 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2993 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2994 @ref{Matrices}.
2995
2996 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2997 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2998 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2999 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3000 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3001 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3002 by their class. Consider this example:
3003
3004 @example
3005     ...
3006     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3007     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3008     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3009     cout << e << endl;
3010      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3011     ...
3012 @end example
3013
3014 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3015 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3016 together while preserving the order of factors within each class (because
3017 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3018 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3019 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3020 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3021
3022 @cindex @code{ncmul} (class)
3023 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3024 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3025 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3026 though.
3027
3028 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3029 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3030 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3031 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3032 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3033 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3034 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3035 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3036 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3037 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3038
3039 @cindex @code{return_type()}
3040 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3041 Information about the commutativity of an object or expression can be
3042 obtained with the two member functions
3043
3044 @example
3045 unsigned      ex::return_type() const;
3046 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3047 @end example
3048
3049 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3050 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3051 expressions in GiNaC:
3052
3053 @itemize @bullet
3054 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3055   classes are of this kind.
3056 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3057   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3058   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3059   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3060   class.
3061 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3062   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3063   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3064   @code{noncommutative_composite} expressions.
3065 @end itemize
3066
3067 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3068 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3069 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3070 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3071 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3072 therefore may not commute.
3073
3074 Here are a couple of examples:
3075
3076 @cartouche
3077 @multitable @columnfractions .6 .4
3078 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3079 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3080 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3081 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3082 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3083 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3084 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3085 @end multitable
3086 @end cartouche
3087
3088 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3089 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3090 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3091 non-commutative expressions).
3092
3093
3094 @cindex @code{clifford} (class)
3095 @subsection Clifford algebra
3096
3097
3098 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3099 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3100 mathematical). 
3101
3102 @cindex @code{dirac_gamma()}
3103 @subsubsection Dirac gamma matrices
3104 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3105 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3106 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3107 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3108 constructed by the function
3109
3110 @example
3111 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3112 @end example
3113
3114 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3115 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3116 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3117 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3118 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3119 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3120
3121 @cindex @code{dirac_ONE()}
3122 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3123
3124 @example
3125 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3126 @end example
3127
3128 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3129 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3130 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3131 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3132 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3133
3134 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3135 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3136 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3137 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3138
3139 @example
3140 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3141 @end example
3142
3143 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3144 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3145 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3146 objects, constructed by
3147
3148 @example
3149 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3150 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3151 @end example
3152
3153 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3154 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3155
3156 @cindex @code{dirac_slash()}
3157 Finally, the function
3158
3159 @example
3160 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3161 @end example
3162
3163 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3164 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3165 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3166 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3167
3168 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3169 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3170 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3171
3172 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3173 for example
3174
3175 @example
3176 @{
3177     ...
3178     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3179     varidx mu(symbol("mu"), D);
3180     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3181          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3182     cout << e << endl;
3183      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3184     e = e.simplify_indexed();
3185     cout << e << endl;
3186      // -> -D*a\+2*a\
3187     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3188      // -> -2*a\
3189     ...
3190 @}
3191 @end example
3192
3193 @cindex @code{dirac_trace()}
3194 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3195 you use one of the functions
3196
3197 @example
3198 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3199                const ex & trONE = 4);
3200 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3201 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3202 @end example
3203
3204 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3205 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3206 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3207 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3208 element, which defaults to 4.
3209
3210 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3211 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3212 functional is not cyclic in
3213 @tex $D \ne 4$
3214 @end tex
3215 @ifnottex
3216 @math{D != 4}
3217 @end ifnottex
3218 dimensions when acting on
3219 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3220 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3221 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3222
3223 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3224 @tex $D \ne 4$
3225 @end tex
3226 @ifnottex
3227 @math{D != 4}
3228 @end ifnottex
3229 dimensions:
3230
3231 @example
3232 @{
3233     // 4 dimensions
3234     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3235     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3236            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3237     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3238      // -> -8*eta~rho~nu
3239 @}
3240 ...
3241 @{
3242     // D dimensions
3243     symbol D("D");
3244     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3245     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3246            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3247     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3248      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3249 @}
3250 @end example
3251
3252 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3253 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3254 QED:
3255
3256 @example
3257 @{
3258     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3259     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3260
3261     scalar_products sp;
3262     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3263     sp.add(l, q, ldotq);
3264
3265     ex e = dirac_gamma(mu) *
3266            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3267            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3268            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3269     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3270     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3271     cout << e << endl;
3272      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3273 @}
3274 @end example
3275
3276 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3277 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3278 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3279
3280 @example
3281 @{
3282     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3283     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3284     cout << e << endl;
3285      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3286
3287     e = canonicalize_clifford(e);
3288     cout << e << endl;
3289      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3290 @}
3291 @end example
3292
3293 @cindex @code{clifford_unit()}
3294 @subsubsection A generic Clifford algebra
3295
3296 A generic Clifford algebra, i.e. a
3297 @tex $2^n$
3298 @end tex
3299 @ifnottex
3300 2^n
3301 @end ifnottex
3302 dimensional algebra with
3303 generators 
3304 @tex $e_k$
3305 @end tex 
3306 @ifnottex
3307 e_k
3308 @end ifnottex
3309 satisfying the identities 
3310 @tex
3311 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3312 @end tex
3313 @ifnottex
3314 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3315 @end ifnottex
3316 for some bilinear form (@code{metric})
3317 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3318 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3319 function 
3320
3321 @example
3322     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3323 @end example
3324
3325 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3326 indexing the generators.
3327 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3328 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3329 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3330 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3331 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3332 @code{op(0)} will be used.
3333 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3334 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3335
3336 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3337 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3338 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3339 @cindex @code{get_metric()}
3340 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3341 Clifford number.
3342
3343 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3344 the Clifford algebra units with a call like that
3345
3346 @example
3347     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3348 @end example
3349
3350 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3351 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3352 automatically. 
3353
3354 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3355 ways. For example 
3356
3357 @example
3358 @{
3359     ... 
3360     idx i(symbol("i"), 4);
3361     realsymbol s("s");
3362     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3363     ex e = clifford_unit(i, M);
3364     ex e0 = e.subs(i == 0);
3365     ex e1 = e.subs(i == 1);
3366     ex e2 = e.subs(i == 2);
3367     ex e3 = e.subs(i == 3);
3368     ...
3369 @}
3370 @end example
3371
3372 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3373 @tex
3374 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3375 @end tex
3376 @ifnottex
3377 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3378 @code{pow(e3, 2) = s}.
3379 @end ifnottex
3380
3381 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3382 A similar effect can be achieved from the function
3383
3384 @example
3385     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3386                        unsigned char rl = 0);
3387     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3388 @end example
3389
3390 which converts a list or vector 
3391 @tex
3392 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3393 @end tex
3394 @ifnottex
3395 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3396 @end ifnottex
3397 into the
3398 Clifford number 
3399 @tex
3400 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3401 @end tex
3402 @ifnottex
3403 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3404 @end ifnottex
3405 with @samp{e.k}
3406 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3407 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3408 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3409 @cindex pseudo-vector
3410 If the number of components supplied
3411 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3412 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3413 pseudo-vector representation: 
3414 @tex
3415 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3416 @end tex
3417 @ifnottex
3418 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3419 @end ifnottex
3420
3421 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3422
3423 @example
3424 @{
3425     ...
3426     idx i(symbol("i"), 4);
3427     realsymbol s("s");
3428     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3429     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3430     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3431     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3432     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3433   ...
3434 @}
3435 @end example
3436
3437 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3438 There is the inverse function 
3439
3440 @example
3441     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3442 @end example
3443
3444 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3445 @tex
3446 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3447 @end tex
3448 @ifnottex
3449 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3450 @end ifnottex
3451 such that the expression is either vector 
3452 @tex
3453 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3454 @end tex
3455 @ifnottex
3456 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3457 @end ifnottex
3458 or pseudo-vector 
3459 @tex
3460 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3461 @end tex
3462 @ifnottex
3463 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3464 @end ifnottex
3465 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3466 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3467 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3468 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3469 @samp{v~k} are calculated as 
3470 @tex
3471 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3472 @end tex
3473 @ifnottex
3474 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3475 @end ifnottex
3476 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3477 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3478 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3479
3480 @cindex @code{clifford_prime()}
3481 @cindex @code{clifford_star()}
3482 @cindex @code{clifford_bar()}
3483 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3484
3485 @example
3486     ex clifford_prime(const ex & e)
3487     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3488     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3489 @end example
3490
3491 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3492 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3493 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3494 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3495 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3496 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3497 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3498 in a product. These functions correspond to the notations
3499 @math{e'},
3500 @tex
3501 $e^*$
3502 @end tex
3503 @ifnottex
3504 e*
3505 @end ifnottex
3506 and
3507 @tex
3508 $\overline{e}$
3509 @end tex
3510 @ifnottex
3511 @code{\bar@{e@}}
3512 @end ifnottex
3513 used in Clifford algebra textbooks.
3514
3515 @cindex @code{clifford_norm()}
3516 The function
3517
3518 @example
3519     ex clifford_norm(const ex & e);
3520 @end example
3521
3522 @cindex @code{clifford_inverse()}
3523 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3524 @tex
3525 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3526 @end tex
3527 @ifnottex
3528 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3529 @end ifnottex
3530  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3531
3532 @example
3533     ex clifford_inverse(const ex & e);
3534 @end example
3535
3536 which calculates it as 
3537 @tex
3538 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3539 @end tex
3540 @ifnottex
3541 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3542 @end ifnottex
3543  If
3544 @tex
3545 $||e|| = 0$
3546 @end tex
3547 @ifnottex
3548 @math{||e||=0}
3549 @end ifnottex
3550 then an exception is raised.
3551
3552 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3553 If a Clifford number happens to be a factor of
3554 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3555 expression by the function
3556
3557 @example
3558     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3559 @end example
3560
3561 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3562 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3563 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3564
3565 The next provided function is
3566
3567 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3568 @example
3569     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3570                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3571                             unsigned char rl = 0);
3572     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3573                             unsigned char rl = 0);
3574 @end example 
3575
3576 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3577 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3578 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3579 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3580 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3581 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3582 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3583 is either a vector or a list holding vector's components.
3584
3585 @cindex @code{clifford_max_label()}
3586 Finally the function
3587
3588 @example
3589 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3590 @end example
3591
3592 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3593 such objects are found it returns the maximal
3594 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3595 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3596 be ignored during the search.
3597  
3598 LaTeX output for Clifford units looks like
3599 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3600 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3601 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3602 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3603 @example
3604     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3605 @end example
3606 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3607 @example
3608     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3609 @end example
3610 prints units with @code{representation_label=0} as 
3611 @tex
3612 $e$,
3613 @end tex
3614 @ifnottex
3615 @code{e},
3616 @end ifnottex
3617 with @code{representation_label=1} as 
3618 @tex
3619 $\tilde{e}$
3620 @end tex
3621 @ifnottex
3622 @code{\tilde@{e@}}
3623 @end ifnottex
3624  and with @code{representation_label=2} as 
3625 @tex
3626 $\breve{e}$.
3627 @end tex
3628 @ifnottex
3629 @code{\breve@{e@}}.
3630 @end ifnottex
3631
3632 @cindex @code{color} (class)
3633 @subsection Color algebra
3634
3635 @cindex @code{color_T()}
3636 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3637 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3638 elements @math{T_a} are constructed by the function
3639
3640 @example
3641 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3642 @end example
3643
3644 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3645 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3646 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3647 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3648 not @code{varidx}.
3649
3650 @cindex @code{color_ONE()}
3651 The unity element of a color algebra is constructed by
3652
3653 @example
3654 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3655 @end example
3656
3657 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3658 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3659 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3660 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3661 GiNaC may produce incorrect results.
3662
3663 @cindex @code{color_d()}
3664 @cindex @code{color_f()}
3665 The functions
3666
3667 @example
3668 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3669 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3670 @end example
3671
3672 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3673 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3674 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3675
3676 These functions evaluate to their numerical values,
3677 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3678 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3679 goes along better with the notations used in physical literature.
3680
3681 @cindex @code{color_h()}
3682 There's an additional function
3683
3684 @example
3685 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3686 @end example
3687
3688 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3689
3690 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3691 expressions containing color objects:
3692
3693 @example
3694 @{
3695     ...
3696     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3697         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3698
3699     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3700     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3701      // -> 0
3702
3703     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3704     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3705      // -> 5/3*delta.k.l
3706
3707     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3708     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3709      // -> 3*delta.k.l
3710
3711     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3712     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3713      // -> -32/3
3714
3715     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3716     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3717      // -> -2/3*T.a
3718
3719     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3720     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3721      // -> -8/9*ONE
3722
3723     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3724     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3725      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3726     ...
3727 @end example
3728
3729 @cindex @code{color_trace()}
3730 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3731 of the functions
3732
3733 @example
3734 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3735 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3736 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3737 @end example
3738
3739 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3740 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3741 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3742 example:
3743
3744 @example
3745     ...
3746     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3747     cout << e << endl;
3748      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3749 @}
3750 @end example
3751
3752
3753 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3754 @c    node-name, next, previous, up
3755 @section Hash Maps
3756 @cindex hash maps
3757 @cindex @code{exhashmap} (class)
3758
3759 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3760 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3761 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3762 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3763
3764 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3765 following differences:
3766
3767 @itemize @bullet
3768 @item
3769 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3770 @item
3771 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3772 @item 
3773 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3774 @item
3775 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3776 @code{ex_is_less}
3777 @item
3778 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3779 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3780 larger than the specified value)
3781 @item
3782 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3783 table
3784 @item 
3785 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3786 @end itemize
3787
3788
3789 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3790 @c    node-name, next, previous, up
3791 @chapter Methods and functions
3792 @cindex polynomial
3793
3794 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3795 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3796 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3797 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3798 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3799 example:
3800
3801 @example
3802     ...
3803     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3804     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3805     ...
3806 @end example
3807
3808 @cindex @code{subs()}
3809 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3810 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3811 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3812 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3813 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3814 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3815 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3816 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3817 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3818 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3819 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3820 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3821 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3822 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3823 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3824 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3825 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3826 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3827 avoided.
3828
3829 @menu
3830 * Information about expressions::
3831 * Numerical evaluation::
3832 * Substituting expressions::
3833 * Pattern matching and advanced substitutions::
3834 * Applying a function on subexpressions::
3835 * Visitors and tree traversal::
3836 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3837 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3838 * Symbolic differentiation::
3839 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3840 * Symmetrization::
3841 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3842 * Multiple polylogarithms::
3843 * Complex expressions::
3844 * Solving linear systems of equations::
3845 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3846 @end menu
3847
3848
3849 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3850 @c    node-name, next, previous, up
3851 @section Getting information about expressions
3852
3853 @subsection Checking expression types
3854 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3855 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3856 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3857 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3858 @cindex @code{info()}
3859 @cindex @code{return_type()}
3860 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3861
3862 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3863 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3864 GiNaC provides a couple of functions for this:
3865
3866 @example
3867 bool is_a<T>(const ex & e);
3868 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3869 bool ex::info(unsigned flag);
3870 unsigned ex::return_type() const;
3871 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3872 @end example
3873
3874 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3875 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3876 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3877 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3878
3879 @example
3880 @{
3881     @dots{}
3882     if (is_a<numeric>(e))
3883         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3884     @dots{}
3885 @}
3886 @end example
3887
3888 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3889 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3890 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3891 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3892
3893 @example
3894 @{
3895     symbol x("x");
3896     ex e1 = 42;
3897     ex e2 = 4*x - 3;
3898     is_a<numeric>(e1);  // true
3899     is_a<numeric>(e2);  // false
3900     is_a<add>(e1);      // false
3901     is_a<add>(e2);      // true
3902     is_a<mul>(e1);      // false
3903     is_a<mul>(e2);      // false
3904 @}
3905 @end example
3906
3907 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3908 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3909 class @samp{T}, not including parent classes.
3910
3911 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3912 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3913 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3914 table:
3915
3916 @cartouche
3917 @multitable @columnfractions .30 .70
3918 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3919 @item @code{numeric}
3920 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3921 @item @code{real}
3922 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3923 @item @code{rational}
3924 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3925 @item @code{integer}
3926 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3927 @item @code{crational}
3928 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3929 @item @code{cinteger}
3930 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3931 @item @code{positive}
3932 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3933 @item @code{negative}
3934 @tab @dots{}not complex and less than 0
3935 @item @code{nonnegative}
3936 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3937 @item @code{posint}
3938 @tab @dots{}an integer greater than 0
3939 @item @code{negint}
3940 @tab @dots{}an integer less than 0
3941 @item @code{nonnegint}
3942 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3943 @item @code{even}
3944 @tab @dots{}an even integer
3945 @item @code{odd}
3946 @tab @dots{}an odd integer
3947 @item @code{prime}
3948 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3949 @item @code{relation}
3950 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3951 @item @code{relation_equal}
3952 @tab @dots{}a @code{==} relation
3953 @item @code{relation_not_equal}
3954 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3955 @item @code{relation_less}
3956 @tab @dots{}a @code{<} relation
3957 @item @code{relation_less_or_equal}
3958 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3959 @item @code{relation_greater}
3960 @tab @dots{}a @code{>} relation
3961 @item @code{relation_greater_or_equal}
3962 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3963 @item @code{symbol}
3964 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3965 @item @code{list}
3966 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3967 @item @code{polynomial}
3968 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3969 @item @code{integer_polynomial}
3970 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3971 @item @code{cinteger_polynomial}
3972 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3973 @item @code{rational_polynomial}
3974 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3975 @item @code{crational_polynomial}
3976 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3977 @item @code{rational_function}
3978 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3979 @item @code{algebraic}
3980 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3981 @end multitable
3982 @end cartouche
3983
3984 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3985 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3986 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3987 for an explanation of these.
3988
3989
3990 @subsection Accessing subexpressions
3991 @cindex container
3992
3993 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3994 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3995 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3996 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3997
3998 @cindex @code{nops()}
3999 @cindex @code{op()}
4000 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4001 use the two methods
4002
4003 @example
4004 size_t ex::nops();
4005 ex ex::op(size_t i);
4006 @end example
4007
4008 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4009 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4010 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4011 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4012 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4013 @math{i>0} are the indices.
4014
4015 @cindex iterators
4016 @cindex @code{const_iterator}
4017 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4018 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4019
4020 @example
4021 const_iterator ex::begin();
4022 const_iterator ex::end();
4023 @end example
4024
4025 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4026 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4027 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4028 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4029
4030 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4031 given expression in three different ways:
4032
4033 @example
4034 @{
4035     ex e = ...
4036
4037     // with nops()/op()
4038     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4039         cout << e.op(i) << endl;
4040
4041     // with iterators
4042     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4043         cout << *i << endl;
4044
4045     // with iterators and STL copy()
4046     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4047 @}
4048 @end example
4049
4050 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4051 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4052 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4053 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4054 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4055 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4056 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4057 methods
4058
4059 @example
4060 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4061 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4062 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4063 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4064 @end example
4065
4066 The following example illustrates the differences between
4067 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4068 @code{const_postorder_iterator}:
4069
4070 @example
4071 @{
4072     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4073     ex e = lst(lst(A, B), C);
4074
4075     std::copy(e.begin(), e.end(),
4076               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4077     // @{A,B@}
4078     // C
4079
4080     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4081               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4082     // @{@{A,B@},C@}
4083     // @{A,B@}
4084     // A
4085     // B
4086     // C
4087
4088     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4089               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4090     // A
4091     // B
4092     // @{A,B@}
4093     // C
4094     // @{@{A,B@},C@}
4095 @}
4096 @end example
4097
4098 @cindex @code{relational} (class)
4099 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4100 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4101 methods
4102
4103 @example
4104 ex ex::lhs();
4105 ex ex::rhs();
4106 @end example
4107
4108
4109 @subsection Comparing expressions
4110 @cindex @code{is_equal()}
4111 @cindex @code{is_zero()}
4112
4113 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4114 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4115 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4116 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4117 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4118 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4119 @code{false}.
4120
4121 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4122 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4123 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4124
4125 There are also two methods
4126
4127 @example
4128 bool ex::is_equal(const ex & other);
4129 bool ex::is_zero();
4130 @end example
4131
4132 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4133 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4134 @pxref{Matrices}. 
4135
4136
4137 @subsection Ordering expressions
4138 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4139 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4140 @cindex @code{compare()}
4141
4142 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4143 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4144 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4145 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4146
4147 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4148 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4149 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4150 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4151 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4152 yield @code{true}.
4153
4154 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4155 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4156 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4157 predicates to the STL:
4158
4159 @example
4160 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4161 public:
4162     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4163 @};
4164
4165 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4166 public:
4167     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4168 @};
4169 @end example
4170
4171 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4172 have to use
4173
4174 @example
4175 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4176 @end example
4177
4178 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4179 bugs because the map operates improperly.
4180
4181 Other examples for the use of the functors:
4182
4183 @example
4184 std::vector<ex> v;
4185 // fill vector
4186 ...
4187
4188 // sort vector
4189 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4190
4191 // count the number of expressions equal to '1'
4192 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4193                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4194 @end example
4195
4196 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4197
4198 @example
4199 int ex::compare(const ex & other) const;
4200 @end example
4201
4202 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4203 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4204 after @code{other}.
4205
4206
4207 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4208 @c    node-name, next, previous, up
4209 @section Numerical evaluation
4210 @cindex @code{evalf()}
4211
4212 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4213 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4214
4215 @example
4216 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4217 @end example
4218
4219 @cindex @code{Digits}
4220 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4221 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4222 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4223
4224 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4225 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4226
4227 @example
4228 @{
4229     // Approximate sin(x/Pi)
4230     symbol x("x");
4231     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4232
4233     // Evaluate numerically at x=0.1
4234     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4235
4236     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4237     if (is_a<numeric>(f)) @{
4238         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4239         cout << d << endl;
4240          // -> 0.0318256
4241     @} else
4242         // error
4243 @}
4244 @end example
4245
4246
4247 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4248 @c    node-name, next, previous, up
4249 @section Substituting expressions
4250 @cindex @code{subs()}
4251
4252 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4253 expressions via the @code{.subs()} method:
4254
4255 @example
4256 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4257 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4258 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4259 @end example
4260
4261 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4262 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4263
4264 @example
4265 @{
4266     symbol x("x"), y("y");
4267
4268     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4269     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4270      // -> 73
4271
4272     ex e2 = x*y + x;
4273     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4274      // -> -10
4275 @}
4276 @end example
4277
4278 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4279 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4280
4281 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4282 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4283 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4284 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4285 be substituted is large or unknown.
4286
4287 Using this form, the second example from above would look like this:
4288
4289 @example
4290 @{
4291     symbol x("x"), y("y");
4292     ex e2 = x*y + x;
4293
4294     exmap m;
4295     m[x] = -2;
4296     m[y] = 4;
4297     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4298 @}
4299 @end example
4300
4301 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4302 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4303 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4304
4305 @example
4306 @{
4307     symbol x("x"), y("y");
4308     ex e2 = x*y + x;
4309
4310     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4311 @}
4312 @end example
4313
4314 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4315 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4316 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4317 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4318 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4319 algebraic substitutions in products and powers.
4320 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4321 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4322 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4323 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4324 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4325 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4326
4327 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4328 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4329 following example:
4330
4331 @example
4332 @{
4333     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4334
4335     ex e1 = pow(x+y, 2);
4336     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4337      // -> 16
4338
4339     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4340     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4341      // -> cos(x)^2*sin(y)
4342
4343     ex e3 = x+y+z;
4344     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4345      // -> x+y+z
4346      // (and not 4+z as one might expect)
4347 @}
4348 @end example
4349
4350 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4351 next section.
4352
4353
4354 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4355 @c    node-name, next, previous, up
4356 @section Pattern matching and advanced substitutions
4357 @cindex @code{wildcard} (class)
4358 @cindex Pattern matching
4359
4360 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4361 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4362 substituting expressions in a more general way.
4363
4364 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4365 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4366 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4367 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4368 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4369 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4370 with the call
4371
4372 @example
4373 ex wild(unsigned label = 0);
4374 @end example
4375
4376 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4377 name.
4378
4379 Some examples for patterns:
4380
4381 @multitable @columnfractions .5 .5
4382 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4383 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4384 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4385 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4386 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4387 @end multitable
4388
4389 Notes:
4390
4391 @itemize @bullet
4392 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4393   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4394 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4395   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4396   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4397 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4398   possible to use them as placeholders for other properties like index
4399   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4400   etc.
4401 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4402   as part of noncommutative products.
4403 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4404   are also valid patterns.
4405 @end itemize
4406
4407 @subsection Matching expressions
4408 @cindex @code{match()}
4409 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4410 matches a given pattern. This is done by the function
4411
4412 @example
4413 bool ex::match(const ex & pattern);
4414 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4415 @end example
4416
4417 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4418 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4419 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4420 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4421 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4422
4423 The matching algorithm works as follows:
4424
4425 @itemize
4426 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4427   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4428   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4429   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4430 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4431   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4432   etc.).
4433 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4434   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4435 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4436   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4437   of the pattern.
4438 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4439   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4440 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4441   match the corresponding subexpression of the pattern.
4442 @end itemize
4443
4444 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4445 account for their commutativity and associativity:
4446
4447 @itemize
4448 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4449   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4450   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4451   way.
4452 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4453   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4454   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4455   further matches.
4456 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4457   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4458   which case this wildcard matches the remaining terms.
4459 @end itemize
4460
4461 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4462 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4463 ambiguous results.
4464
4465 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4466 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4467 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4468
4469 @example
4470 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4471 @{@}
4472 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4473 FAIL
4474 > match((x+y)^a,$1^$2);
4475 @{$1==x+y,$2==a@}
4476 > match((x+y)^a,$1^$1);
4477 FAIL
4478 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4479 @{$1==x+y@}
4480 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4481 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4482 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4483 @{$1==a@}
4484 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4485 @{$1==b,$2==c@}
4486   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4487 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4488   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4489    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4490    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4491    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4492    fail.)
4493 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4494   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4495    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4496 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4497 FAIL
4498 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4499 @{$0==a+e+b+f+d@}
4500 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4501 @{$0==a+b+f+d@}
4502 > match(a+b,a+b+$0);
4503 @{$0==0@}
4504 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4505 FAIL
4506   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4507    even though a==a^1.)
4508 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4509 @{$0==x@}
4510 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4511 @{$0==x^2@}
4512 @end example
4513
4514 @subsection Matching parts of expressions
4515 @cindex @code{has()}
4516 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4517 member function
4518
4519 @example
4520 bool ex::has(const ex & pattern);
4521 @end example
4522
4523 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4524 by any of its subexpressions.
4525
4526 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4527 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4528
4529 @example
4530 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4531 1
4532 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4533 0
4534   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4535    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4536 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4537 1
4538   (But this is possible.)
4539 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4540 0
4541   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4542    which "x+y" is not a subexpression.)
4543 > has(x+1,x^$1);
4544 0
4545   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4546    "x^something".)
4547 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4548 1
4549 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4550 0
4551   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4552    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4553    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4554 @end example
4555
4556 @cindex @code{find()}
4557 The method
4558
4559 @example
4560 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4561 @end example
4562
4563 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4564 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4565 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4566 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4567 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4568
4569 @example
4570 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4571 @{x@}
4572 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4573 @{@}
4574 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4575 @{x^3,x^2@}
4576   (Note the absence of "x".)
4577 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4578 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4579 > find(%,sin($1));
4580 @{sin(y),sin(x)@}
4581 @end example
4582
4583 @subsection Substituting expressions
4584 @cindex @code{subs()}
4585 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4586 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4587 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4588 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4589 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4590
4591 Some examples:
4592
4593 @example
4594 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4595 b^3+a^3+(x+y)^3
4596 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4597 b^4+a^4+(x+y)^4
4598 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4599 (a+b+c)^2
4600 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4601 (x+c)^2
4602 > subs(a+2*b,a+b==x);
4603 a+2*b
4604 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4605 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4606 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4607 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4608 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4609 cos(1+cos(x))
4610 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4611 a+b
4612 @end example
4613
4614 The last example would be written in C++ in this way:
4615
4616 @example
4617 @{
4618     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4619     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4620     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4621     cout << e.expand() << endl;
4622      // -> a+b
4623 @}
4624 @end example
4625
4626 @subsection The option algebraic
4627 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4628 extra options. This section describes what happens if you give the former
4629 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4630 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4631 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4632 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4633 If you use these options you will find that
4634 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4635 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4636 often as is possible without getting negative exponents. For example
4637 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4638 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4639 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4640 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4641
4642 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4643 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4644
4645
4646 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4647 @c    node-name, next, previous, up
4648 @section Applying a function on subexpressions
4649 @cindex tree traversal
4650 @cindex @code{map()}
4651
4652 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4653 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4654 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4655 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4656 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4657 to do this manually which usually results in code like this:
4658
4659 @example
4660 ex calc_trace(ex e)
4661 @{
4662     if (is_a<matrix>(e))
4663         return ex_to<matrix>(e).trace();
4664     else if (is_a<add>(e)) @{
4665         ex sum = 0;
4666         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4667             sum += calc_trace(e.op(i));
4668         return sum;
4669     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4670         ...
4671     @} else @{
4672         ...
4673     @}
4674 @}
4675 @end example
4676
4677 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4678 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4679 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4680 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4681 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4682
4683 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4684 operations:
4685
4686 @example
4687 ex ex::map(map_function & f) const;
4688 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4689 @end example
4690
4691 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4692 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4693 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4694 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4695 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4696 non-recursively.
4697
4698 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4699 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4700 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4701 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4702 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4703
4704 @example
4705 struct calc_trace : public map_function @{
4706     ex operator()(const ex &e)
4707     @{
4708         if (is_a<matrix>(e))
4709             return ex_to<matrix>(e).trace();
4710         else if (is_a<mul>(e)) @{
4711             ...
4712         @} else
4713             return e.map(*this);
4714     @}
4715 @};
4716 @end example
4717
4718 This function object could then be used like this:
4719
4720 @example
4721 @{
4722     ex M = ... // expression with matrices
4723     calc_trace do_trace;
4724     ex tr = do_trace(M);
4725 @}
4726 @end example
4727
4728 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4729 terms in a variable from an expanded polynomial:
4730
4731 @example
4732 struct map_rem_quad : public map_function @{
4733     ex var;
4734     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4735
4736     ex operator()(const ex & e)
4737     @{
4738         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4739             return e.map(*this);
4740         else if (is_a<power>(e) && 
4741                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4742             return 0;
4743         else
4744             return e;
4745     @}
4746 @};
4747
4748 ...
4749
4750 @{
4751     symbol x("x"), y("y");
4752
4753     ex e;
4754     for (int i=0; i<8; i++)
4755         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4756     cout << e << endl;
4757      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
4758
4759     map_rem_quad rem_quad(x);
4760     cout << rem_quad(e) << endl;
4761      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4762 @}
4763 @end example
4764
4765 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4766 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4767 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4768 acts as the placeholder for the operands:
4769
4770 @example
4771 > map(a*b,sin($0));
4772 sin(a)*sin(b)
4773 > map(a+2*b,sin($0));
4774 sin(a)+sin(2*b)
4775 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4776 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4777 @end example
4778
4779 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4780 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4781 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4782
4783 @example
4784 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4785 @{0,0,0@}
4786   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4787   to "map(@{a,b,c@},0)".
4788 @end example
4789
4790
4791 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4792 @c    node-name, next, previous, up
4793 @section Visitors and tree traversal
4794 @cindex tree traversal
4795 @cindex @code{visitor} (class)
4796 @cindex @code{accept()}
4797 @cindex @code{visit()}
4798 @cindex @code{traverse()}
4799 @cindex @code{traverse_preorder()}
4800 @cindex @code{traverse_postorder()}
4801
4802 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4803 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4804 indices with variance you always want the covariant version returned.
4805
4806 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4807 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4808 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4809 with variance, one for plain ones).
4810
4811 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4812 such as the following:
4813
4814 @example
4815 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4816 @{
4817     if (is_a<varidx>(e)) @{
4818         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4819         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4820     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4821         l.append(e);
4822     @} else @{
4823         size_t n = e.nops();
4824         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4825             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4826     @}
4827 @}
4828
4829 lst gather_indices(const ex & e)
4830 @{
4831     lst l;
4832     gather_indices_helper(e, l);
4833     l.sort();
4834     l.unique();
4835     return l;
4836 @}
4837 @end example
4838
4839 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4840 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4841 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4842
4843 @example
4844     if (is_a<idx>(e)) @{
4845       ...
4846     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4847       ...
4848 @end example
4849
4850 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4851 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4852 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4853 executed.
4854
4855 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4856 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4857 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4858 write a function that required a different implementation for nearly
4859 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4860
4861 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4862 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4863 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4864 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4865 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4866 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4867 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4868 presented this would be impractical.
4869
4870 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4871 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4872 variation, described in detail in
4873 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4874 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4875 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4876 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4877 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4878 object that @code{accept()} was being invoked on.
4879
4880 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4881 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4882 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4883 each class.
4884
4885 A call of
4886
4887 @example
4888 void ex::accept(visitor & v) const;
4889 @end example
4890
4891 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4892 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4893 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4894
4895 Here is an example of a visitor:
4896
4897 @example
4898 class my_visitor
4899  : public visitor,          // this is required
4900    public add::visitor,     // visit add objects
4901    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4902    public basic::visitor    // visit basic objects
4903 @{
4904     void visit(const add & x)
4905     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4906
4907     void visit(const numeric & x)
4908     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4909
4910     void visit(const basic & x)
4911     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4912 @};
4913 @end example
4914
4915 which can be used as follows:
4916
4917 @example
4918 ...
4919     symbol x("x");
4920     ex e1 = 42;
4921     ex e2 = 4*x-3;
4922     ex e3 = 8*x;
4923
4924     my_visitor v;
4925     e1.accept(v);
4926      // prints "called with a numeric object"
4927     e2.accept(v);
4928      // prints "called with an add object"
4929     e3.accept(v);
4930      // prints "called with a basic object"
4931 ...
4932 @end example
4933
4934 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4935 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4936
4937 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4938 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4939 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4940 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4941 hierarchies of visitors.
4942
4943 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4944
4945 @example
4946 class gather_indices_visitor
4947  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4948 @{
4949     lst l;
4950
4951     void visit(const idx & i)
4952     @{
4953         l.append(i);
4954     @}
4955
4956     void visit(const varidx & vi)
4957     @{
4958         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4959     @}
4960
4961 public:
4962     const lst & get_result() // utility function
4963     @{
4964         l.sort();
4965         l.unique();
4966         return l;
4967     @}
4968 @};
4969 @end example
4970
4971 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4972 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4973
4974 @example
4975 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4976 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4977 void ex::traverse(visitor & v) const;
4978 @end example
4979
4980 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4981 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4982 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4983 @code{traverse_preorder()}.
4984
4985 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4986 and @code{traverse()}:
4987
4988 @example
4989 lst gather_indices(const ex & e)
4990 @{
4991     gather_indices_visitor v;
4992     e.traverse(v);
4993     return v.get_result();
4994 @}
4995 @end example
4996
4997 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4998 traversal:
4999
5000 @example
5001 lst gather_indices(const ex & e)
5002 @{
5003     gather_indices_visitor v;
5004     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5005          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5006         i->accept(v);
5007     @}
5008     return v.get_result();
5009 @}
5010 @end example
5011
5012
5013 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5014 @c    node-name, next, previous, up
5015 @section Polynomial arithmetic
5016
5017 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5018 @cindex @code{is_polynomial()}
5019
5020 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5021 can be done with the method
5022 @example
5023 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5024 @end example
5025 In the case of more than
5026 one variable, the variables are given as a list.
5027
5028 @example
5029 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5030 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5031 @end example
5032
5033 @subsection Expanding and collecting
5034 @cindex @code{expand()}
5035 @cindex @code{collect()}
5036 @cindex @code{collect_common_factors()}
5037
5038 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5039 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5040 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5041 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5042 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5043 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5044 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5045 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5046 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5047 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5048 x*z}.
5049
5050 To bring an expression into expanded form, its method
5051
5052 @example
5053 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5054 @end example
5055
5056 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5057 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5058 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5059 orderings of terms in such sums!
5060
5061 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5062 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5063 being polynomials in the remaining variables.  The method
5064 @code{collect()} accomplishes this task:
5065
5066 @example
5067 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5068 @end example
5069
5070 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5071 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5072 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5073 by the @code{distributed} flag.
5074
5075 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5076 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5077 coefficients properly.
5078
5079 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5080 together with @code{find()}:
5081
5082 @example
5083 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5084 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)
5085 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5086 > collect(a,@{p,q@});
5087 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5088 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5089 > collect(a,find(a,sin($1)));
5090 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5091 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5092 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5093 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5094 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5095 @end example
5096
5097 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5098 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5099
5100 @example
5101 ex collect_common_factors(const ex & e);
5102 @end example
5103
5104 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5105 factors which are already explicitly present:
5106
5107 @example
5108 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5109 (x+y)*a
5110 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5111 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5112 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5113 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5114 @end example
5115
5116 @subsection Degree and coefficients
5117 @cindex @code{degree()}
5118 @cindex @code{ldegree()}
5119 @cindex @code{coeff()}
5120
5121 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5122 methods
5123
5124 @example
5125 int ex::degree(const ex & s);
5126 int ex::ldegree(const ex & s);
5127 @end example
5128
5129 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5130 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5131 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5132 an expanded polynomial you use
5133
5134 @example
5135 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5136 @end example
5137
5138 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5139
5140 @example
5141 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5142 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5143 @end example
5144
5145 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5146 respectively.
5147
5148 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5149 polynomial is analyzed:
5150
5151 @example
5152 @{
5153     symbol x("x"), y("y");
5154     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5155                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5156     ex Poly = PolyInp.expand();
5157     
5158     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5159         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5160              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5161     @}
5162     cout << "As polynomial in y: " 
5163          << Poly.collect(y) << endl;
5164 @}
5165 @end example
5166
5167 When run, it returns an output in the following fashion:
5168
5169 @example
5170 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5171 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5172 The x^2-coefficient is -1
5173 The x^3-coefficient is 4*y
5174 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5175 @end example
5176
5177 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5178 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5179 within the user's sphere of influence.
5180
5181 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5182 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5183 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5184 constants, functions and indexed objects as well:
5185
5186 @example
5187 @{
5188     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5189     idx i(symbol("i"), 3);
5190
5191     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5192     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5193      // -> 4
5194     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5195      // -> -4*cos(x)
5196
5197     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5198     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5199     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5200      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5201 @}
5202 @end example
5203
5204
5205 @subsection Polynomial division
5206 @cindex polynomial division
5207 @cindex quotient
5208 @cindex remainder
5209 @cindex pseudo-remainder
5210 @cindex @code{quo()}
5211 @cindex @code{rem()}
5212 @cindex @code{prem()}
5213 @cindex @code{divide()}
5214
5215 The two functions
5216
5217 @example
5218 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5219 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5220 @end example
5221
5222 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5223 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5224
5225 The additional function
5226
5227 @example
5228 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5229 @end example
5230
5231 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5232 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5233
5234 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5235
5236 @example
5237 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5238 @end example
5239
5240 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5241 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5242 in which case the value of @code{q} is undefined.
5243
5244
5245 @subsection Unit, content and primitive part
5246 @cindex @code{unit()}
5247 @cindex @code{content()}
5248 @cindex @code{primpart()}
5249 @cindex @code{unitcontprim()}
5250
5251 The methods
5252
5253 @example
5254 ex ex::unit(const ex & x);
5255 ex ex::content(const ex & x);
5256 ex ex::primpart(const ex & x);
5257 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5258 @end example
5259
5260 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5261 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5262 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5263 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5264 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5265 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5266 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5267 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5268
5269 Additionally, the method
5270
5271 @example
5272 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5273 @end example
5274
5275 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5276 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5277
5278
5279 @subsection GCD, LCM and resultant
5280 @cindex GCD
5281 @cindex LCM
5282 @cindex @code{gcd()}
5283 @cindex @code{lcm()}
5284
5285 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5286 multiple have the synopsis
5287
5288 @example
5289 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5290 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5291 @end example
5292
5293 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5294 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5295 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5296 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5297 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5298 the coefficients must be rationals.
5299
5300 @example
5301 #include <ginac/ginac.h>
5302 using namespace GiNaC;
5303
5304 int main()
5305 @{
5306     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5307     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5308     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5309
5310     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5311     // x + 5*y + 4*z
5312     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5313     // 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
5314 @}
5315 @end example
5316
5317 @cindex resultant
5318 @cindex @code{resultant()}
5319
5320 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5321 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5322 expressions. The function has the interface
5323
5324 @example
5325 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5326 @end example
5327
5328 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5329 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5330 @code{y}, respectively:
5331
5332 @example
5333 #include <ginac/ginac.h>
5334 using namespace GiNaC;
5335
5336 int main()
5337 @{
5338     symbol x("x"), y("y");
5339
5340     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5341     ex r;
5342     
5343     r = resultant(e1, e2, x); 
5344     // -> 1+2*y^6
5345     r = resultant(e1, e2, y); 
5346     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5347 @}
5348 @end example
5349
5350 @subsection Square-free decomposition
5351 @cindex square-free decomposition
5352 @cindex factorization
5353 @cindex @code{sqrfree()}
5354
5355 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5356 @example
5357 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5358 @end example
5359 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5360 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5361 some care with subsequent processing of the result:
5362 @example
5363     ...
5364     symbol x("x"), y("y");
5365     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5366
5367     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5368      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5369
5370     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5371      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5372
5373     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5374      // -> depending on luck, any of the above
5375     ...
5376 @end example
5377 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5378 with this method.
5379
5380 @subsection Polynomial factorization
5381 @cindex factorization
5382 @cindex polynomial factorization
5383 @cindex @code{factor()}
5384
5385 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5386 @example
5387 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5388 @end example
5389 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5390 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5391 @example
5392     ...
5393     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5394      // -> (1+x)*(-1+x)
5395     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5396      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5397     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5398      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5399     ...
5400 @end example
5401 The results are as expected except for the last one where no factorization
5402 seems to have been done. This is due to the default option
5403 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5404 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5405 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5406
5407 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5408 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5409 arguments. With this option the example gives:
5410 @example
5411     ...
5412     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5413          << endl;
5414      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5415     ...
5416 @end example
5417 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5418 the following example does not factor:
5419 @example
5420     ...
5421     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5422      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5423     ...
5424 @end example
5425 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5426 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5427 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5428 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5429 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5430 cheaper and more appropriate alternative.
5431
5432 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5433 @c    node-name, next, previous, up
5434 @section Rational expressions
5435
5436 @subsection The @code{normal} method
5437 @cindex @code{normal()}
5438 @cindex simplification
5439 @cindex temporary replacement
5440
5441 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5442 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5443 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5444 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5445 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5446 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5447
5448 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5449 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5450 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5451 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5452 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5453 @code{.to_rational()}, described below.
5454
5455 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5456 simplified in this little code snippet:
5457
5458 @example
5459 @{
5460     symbol x("x");
5461     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5462     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5463     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5464     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5465 @}
5466 @end example
5467
5468 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5469 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5470 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5471
5472
5473 @subsection Numerator and denominator
5474 @cindex numerator
5475 @cindex denominator
5476 @cindex @code{numer()}
5477 @cindex @code{denom()}
5478 @cindex @code{numer_denom()}
5479
5480 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5481
5482 @example
5483 ex ex::numer();
5484 ex ex::denom();
5485 ex ex::numer_denom();
5486 @end example
5487
5488 These functions will first normalize the expression as described above and
5489 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5490 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5491 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5492
5493
5494 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5495 @cindex @code{to_polynomial()}
5496 @cindex @code{to_rational()}
5497
5498 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5499 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5500 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5501 above. You do this by calling
5502
5503 @example
5504 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5505 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5506 @end example
5507 or
5508 @example
5509 ex ex::to_rational(exmap & m);
5510 ex ex::to_rational(lst & l);
5511 @end example
5512
5513 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5514 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5515 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5516 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5517 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5518 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5519
5520 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5521 is probably best illustrated with an example:
5522
5523 @example
5524 @{
5525     symbol x("x"), y("y");
5526     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5527     cout << a << endl;
5528
5529     lst lp;
5530     ex p = a.to_polynomial(lp);
5531     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5532      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5533      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5534
5535     lst lr;
5536     ex r = a.to_rational(lr);
5537     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5538      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5539      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5540 @}
5541 @end example
5542
5543 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5544
5545 @example
5546 @{
5547     symbol x("x");
5548     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5549     ex b = sin(x) + cos(x);
5550     ex q;
5551     exmap m;
5552     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5553     cout << q.subs(m) << endl;
5554 @}
5555 @end example
5556
5557
5558 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5559 @c    node-name, next, previous, up
5560 @section Symbolic differentiation
5561 @cindex differentiation
5562 @cindex @code{diff()}
5563 @cindex chain rule
5564 @cindex product rule
5565
5566 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5567 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5568 the derivatives of all the monomials:
5569
5570 @example
5571 @{
5572     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5573     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5574
5575     cout << P.diff(x,2) << endl;
5576      // -> 20*x^3 + 2
5577     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5578      // -> 1
5579     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5580      // -> 0
5581 @}
5582 @end example
5583
5584 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5585 returns the @var{n}th derivative.
5586
5587 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5588 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5589 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5590 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5591 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5592 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5593 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5594 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5595 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5596 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5597 lines:
5598
5599 @cindex Euler numbers
5600 @example
5601 #include <ginac/ginac.h>
5602 using namespace GiNaC;
5603
5604 ex EulerNumber(unsigned n)
5605 @{
5606     symbol x;
5607     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5608     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5609 @}
5610
5611 int main()
5612 @{
5613     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5614         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5615     return 0;
5616 @}
5617 @end example
5618
5619 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5620 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5621 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5622
5623
5624 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5625 @c    node-name, next, previous, up
5626 @section Series expansion
5627 @cindex @code{series()}
5628 @cindex Taylor expansion
5629 @cindex Laurent expansion
5630 @cindex @code{pseries} (class)
5631 @cindex @code{Order()}
5632
5633 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5634 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5635 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5636 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5637 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5638 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5639 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5640 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5641 term).  A sample application from special relativity could read:
5642
5643 @example
5644 #include <ginac/ginac.h>
5645 using namespace std;
5646 using namespace GiNaC;
5647
5648 int main()
5649 @{
5650     symbol v("v"), c("c");
5651     
5652     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5653     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5654     
5655     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5656          << mass_nonrel << endl;
5657     
5658     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5659          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5660 @}
5661 @end example
5662
5663 Only calling the series method makes the last output simplify to
5664 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5665 series raised to the power @math{-2}.
5666
5667 @cindex Machin's formula
5668 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5669 value of Archimedes' constant
5670 @tex
5671 $\pi$
5672 @end tex
5673 @ifnottex
5674 @math{Pi}
5675 @end ifnottex
5676 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5677 using John Machin's amazing formula
5678 @tex
5679 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5680 @end tex
5681 @ifnottex
5682 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5683 @end ifnottex
5684 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5685 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5686 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5687 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5688 order term with it and the question arises what the system is supposed
5689 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5690 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5691 term off:
5692
5693 @example
5694 #include <ginac/ginac.h>
5695 using namespace GiNaC;
5696
5697 ex machin_pi(int degr)
5698 @{
5699     symbol x;
5700     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5701     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5702                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5703     return pi_approx;
5704 @}
5705
5706 int main()
5707 @{
5708     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5709     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5710     ex pi_frac;
5711     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5712         pi_frac = machin_pi(i);
5713         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5714              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5715     @}
5716     return 0;
5717 @}
5718 @end example
5719
5720 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5721 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5722 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5723 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5724 program, it will type out:
5725
5726 @example
5727 2:      3804/1195
5728         3.1832635983263598326
5729 4:      5359397032/1706489875
5730         3.1405970293260603143
5731 6:      38279241713339684/12184551018734375
5732         3.141621029325034425
5733 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5734         3.141591772182177295
5735 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5736         3.1415926824043995174
5737 @end example
5738
5739
5740 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5741 @c    node-name, next, previous, up
5742 @section Symmetrization
5743 @cindex @code{symmetrize()}
5744 @cindex @code{antisymmetrize()}
5745 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5746
5747 The three methods
5748
5749 @example
5750 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5751 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5752 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5753 @end example
5754
5755 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5756 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5757 weighted by the number of permutations.
5758
5759 The three additional methods
5760
5761 @example
5762 ex ex::symmetrize();
5763 ex ex::antisymmetrize();
5764 ex ex::symmetrize_cyclic();
5765 @end example
5766
5767 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5768
5769 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5770 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5771
5772 @example
5773 @{
5774     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5775     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5776                                            
5777     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5778      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5779     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5780      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5781     cout << ex(lst(a, b, c)).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5782      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5783 @}
5784 @end example
5785
5786 @page
5787
5788 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5789 @c    node-name, next, previous, up
5790 @section Predefined mathematical functions
5791 @c
5792 @subsection Overview
5793
5794 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5795
5796 @cartouche
5797 @multitable @columnfractions .30 .70
5798 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5799 @item @code{abs(x)}
5800 @tab absolute value
5801 @cindex @code{abs()}
5802 @item @code{step(x)}
5803 @tab step function
5804 @cindex @code{step()}
5805 @item @code{csgn(x)}
5806 @tab complex sign
5807 @cindex @code{conjugate()}
5808 @item @code{conjugate(x)}
5809 @tab complex conjugation
5810 @cindex @code{real_part()}
5811 @item @code{real_part(x)}
5812 @tab real part
5813 @cindex @code{imag_part()}
5814 @item @code{imag_part(x)}
5815 @tab imaginary part
5816 @item @code{sqrt(x)}
5817 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5818 @cindex @code{sqrt()}
5819 @item @code{sin(x)}
5820 @tab sine
5821 @cindex @code{sin()}
5822 @item @code{cos(x)}
5823 @tab cosine
5824 @cindex @code{cos()}
5825 @item @code{tan(x)}
5826 @tab tangent
5827 @cindex @code{tan()}
5828 @item @code{asin(x)}
5829 @tab inverse sine
5830 @cindex @code{asin()}
5831 @item @code{acos(x)}
5832 @tab inverse cosine
5833 @cindex @code{acos()}
5834 @item @code{atan(x)}
5835 @tab inverse tangent
5836 @cindex @code{atan()}
5837 @item @code{atan2(y, x)}
5838 @tab inverse tangent with two arguments
5839 @item @code{sinh(x)}
5840 @tab hyperbolic sine
5841 @cindex @code{sinh()}
5842 @item @code{cosh(x)}
5843 @tab hyperbolic cosine
5844 @cindex @code{cosh()}
5845 @item @code{tanh(x)}
5846 @tab hyperbolic tangent
5847 @cindex @code{tanh()}
5848 @item @code{asinh(x)}
5849 @tab inverse hyperbolic sine
5850 @cindex @code{asinh()}
5851 @item @code{acosh(x)}
5852 @tab inverse hyperbolic cosine
5853 @cindex @code{acosh()}
5854 @item @code{atanh(x)}
5855 @tab inverse hyperbolic tangent
5856 @cindex @code{atanh()}
5857 @item @code{exp(x)}
5858 @tab exponential function
5859 @cindex @code{exp()}
5860 @item @code{log(x)}
5861 @tab natural logarithm
5862 @cindex @code{log()}
5863 @item @code{eta(x,y)}
5864 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5865 @cindex @code{eta()}
5866 @item @code{Li2(x)}
5867 @tab dilogarithm
5868 @cindex @code{Li2()}
5869 @item @code{Li(m, x)}
5870 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5871 @cindex @code{Li()}
5872 @item @code{G(a, y)}
5873 @tab multiple polylogarithm
5874 @cindex @code{G()}
5875 @item @code{G(a, s, y)}
5876 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5877 @cindex @code{G()}
5878 @item @code{S(n, p, x)}
5879 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5880 @cindex @code{S()}
5881 @item @code{H(m, x)}
5882 @tab harmonic polylogarithm
5883 @cindex @code{H()}
5884 @item @code{zeta(m)}
5885 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5886 @cindex @code{zeta()}
5887 @item @code{zeta(m, s)}
5888 @tab alternating Euler sum
5889 @cindex @code{zeta()}
5890 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5891 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5892 @item @code{tgamma(x)}
5893 @tab gamma function
5894 @cindex @code{tgamma()}
5895 @cindex gamma function
5896 @item @code{lgamma(x)}
5897 @tab logarithm of gamma function
5898 @cindex @code{lgamma()}
5899 @item @code{beta(x, y)}
5900 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5901 @cindex @code{beta()}
5902 @item @code{psi(x)}
5903 @tab psi (digamma) function
5904 @cindex @code{psi()}
5905 @item @code{psi(n, x)}
5906 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5907 @item @code{factorial(n)}
5908 @tab factorial function @math{n!}
5909 @cindex @code{factorial()}
5910 @item @code{binomial(n, k)}
5911 @tab binomial coefficients
5912 @cindex @code{binomial()}
5913 @item @code{Order(x)}
5914 @tab order term function in truncated power series
5915 @cindex @code{Order()}
5916 @end multitable
5917 @end cartouche
5918
5919 @cindex branch cut
5920 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5921 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5922 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5923 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5924 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5925 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5926 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5927 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5928 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5929 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5930 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5931 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5932 counter clockwise direction.
5933
5934 @c
5935 @subsection Expanding functions
5936 @cindex expand trancedent functions
5937 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5938 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5939 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5940 @tex
5941 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5942 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5943 @end tex
5944 @ifnottex
5945 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5946 @end ifnottex
5947 or
5948 @tex
5949 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5950 @end tex
5951 @ifnottex
5952 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5953 @end ifnottex
5954 (for positive
5955 @tex
5956 $c,\ d$
5957 @end tex
5958 @ifnottex
5959 @command{c, d}
5960 @end ifnottex
5961 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
5962 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
5963 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
5964 usage and interaction can be seen from the following example:
5965 @example
5966 @{
5967         symbol x("x"),  y("y");
5968         ex e=exp(pow(x+y,2));
5969         cout << e.expand() << endl;
5970         // -> exp((x+y)^2)
5971         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
5972         // -> exp((x+y)^2)
5973         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
5974         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
5975         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
5976                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
5977         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
5978 @}
5979 @end example
5980 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
5981 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
5982 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
5983 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
5984 argument. Of course, a user can fine-tune this behaviour by sequential
5985 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
5986
5987 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5988 @c    node-name, next, previous, up
5989 @subsection Multiple polylogarithms
5990
5991 @cindex polylogarithm
5992 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5993 @cindex harmonic polylogarithm
5994 @cindex multiple zeta value
5995 @cindex alternating Euler sum
5996 @cindex multiple polylogarithm
5997
5998 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5999 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6000 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6001 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6002 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6003 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6004 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6005 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6006 notations are more natural to the series representation or the integral
6007 representation, respectively.
6008
6009 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6010 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6011 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6012
6013 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6014 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6015 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6016 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6017 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6018 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6019 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6020 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6021 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6022 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6023 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6024
6025 The functions print in LaTeX format as
6026 @tex
6027 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6028 @end tex
6029 @tex
6030 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6031 @end tex
6032 @tex
6033 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6034 @end tex
6035 @tex
6036 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6037 @end tex
6038 @ifnottex
6039 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6040 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6041 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6042 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6043 @end ifnottex
6044 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6045 are printed with a line above, e.g.
6046 @tex
6047 $\zeta(5,\overline{2})$.
6048 @end tex
6049 @ifnottex
6050 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6051 @end ifnottex
6052 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6053
6054 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6055 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6056 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6057 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6058
6059 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6060 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6061 the series representation. This means
6062 @tex
6063 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6064 @end tex
6065 @tex
6066 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6067 @end tex
6068 @tex
6069 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6070 @end tex
6071 @ifnottex
6072 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6073 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6074 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6075 @end ifnottex
6076 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6077 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6078
6079 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6080 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6081 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6082 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6083 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6084 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
6085 @tex
6086 $\zeta(\overline{3},4)$
6087 @end tex
6088 @ifnottex
6089 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6090 @end ifnottex
6091 and
6092 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
6093 @tex
6094 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6095 @end tex
6096 @ifnottex
6097 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6098 @end ifnottex
6099 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6100 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6101 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
6102 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6103 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6104 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6105 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6106
6107 @example
6108 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6109 S(2,2,x)
6110 > H(@{-3,2@},1);
6111 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6112 > S(3,1,1);
6113 1/90*Pi^4
6114 @end example
6115
6116 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6117 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6118 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6119 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6120 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6121 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6122
6123 @example
6124 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6125 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6126 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6127 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6128 @end example
6129
6130 Every function can be numerically evaluated for
6131 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6132 global variable @code{Digits}:
6133
6134 @example
6135 > Digits=100;
6136 100
6137 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6138 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6139 @end example
6140
6141 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6142 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6143
6144 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6145 unevaluated, e.g.
6146 @tex
6147 $\zeta(1)$.
6148 @end tex
6149 @ifnottex
6150 @command{zeta(1)}.
6151 @end ifnottex
6152 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6153 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6154 cancellations of divergencies happen.
6155
6156 Useful publications:
6157
6158 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6159 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6160
6161 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6162 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6163
6164 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6165 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6166
6167 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6168 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6169
6170 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6171 @c    node-name, next, previous, up
6172 @section Complex expressions
6173 @c
6174 @cindex @code{conjugate()}
6175
6176 For dealing with complex expressions there are the methods
6177
6178 @example
6179 ex ex::conjugate();
6180 ex ex::real_part();
6181 ex ex::imag_part();
6182 @end example
6183
6184 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6185 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6186 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6187 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6188 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6189 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6190 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6191 (symbols are complex by default), one could not simplify
6192 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6193 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6194
6195 For example,
6196 @example
6197 @{
6198     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6199     symbol x("x");
6200     realsymbol y("y");
6201                                            
6202     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6203      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6204     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6205      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6206 @}
6207 @end example
6208
6209 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6210 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6211 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6212 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6213 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6214 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6215 parts of user-defined functions.
6216
6217 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6218 @c    node-name, next, previous, up
6219 @section Solving linear systems of equations
6220 @cindex @code{lsolve()}
6221
6222 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6223 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6224 needs to be solved:
6225
6226 @example
6227 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6228           unsigned options = solve_algo::automatic);
6229 @end example
6230
6231 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6232 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6233 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6234 @code{lst}).
6235
6236 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6237 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6238
6239 @example
6240 @{
6241     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6242     lst eqns, vars;
6243     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6244     vars = x, y;
6245     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6246      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6247 @end example
6248
6249 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6250 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6251 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6252 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6253 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6254 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6255 around that method.
6256
6257
6258 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6259 @c    node-name, next, previous, up
6260 @section Input and output of expressions
6261 @cindex I/O
6262
6263 @subsection Expression output
6264 @cindex printing
6265 @cindex output of expressions
6266
6267 Expressions can simply be written to any stream:
6268
6269 @example
6270 @{
6271     symbol x("x");
6272     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6273     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6274     // ...
6275 @end example
6276
6277 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6278 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6279 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6280 is printed as @samp{x^2}).
6281
6282 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6283 a set of stream manipulators;
6284
6285 @example
6286 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6287 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6288 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6289 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6290 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6291 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6292 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6293 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6294 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6295 @end example
6296
6297 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6298 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6299 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6300
6301 @cindex @code{dflt}
6302 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6303 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6304
6305 @example
6306     // ...
6307     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6308                               // now on
6309     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6310     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6311     cout << dflt;             // revert to default output format
6312     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6313     // ...
6314 @end example
6315
6316 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6317 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6318
6319 @example
6320     // ...
6321     ostringstream s;
6322     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6323     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6324     // ...
6325 @end example
6326
6327 @anchor{csrc printing}
6328 @cindex @code{csrc}
6329 @cindex @code{csrc_float}
6330 @cindex @code{csrc_double}
6331 @cindex @code{csrc_cl_N}
6332 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6333 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6334 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6335 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6336 classes provided by the CLN library):
6337
6338 @example
6339     // ...
6340     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6341     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6342     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6343     // ...
6344 @end example
6345
6346 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6347 @code{x*x}):
6348
6349 @example
6350 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6351 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6352 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6353 @end example
6354
6355 @cindex @code{tree}
6356 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6357 expression for debugging purposes:
6358
6359 @example
6360     // ...
6361     cout << tree << e;
6362 @}
6363 @end example
6364
6365 produces
6366
6367 @example
6368 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6369     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6370         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6371         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6372     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6373     -----
6374     overall_coeff
6375     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6376     =====
6377 @end example
6378
6379 @cindex @code{latex}
6380 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6381 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6382 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6383 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6384 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6385 constructor.
6386
6387 For example, the code snippet
6388
6389 @example
6390 @{
6391     symbol x("x", "\\circ");
6392     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6393     cout << latex << e << endl;
6394 @}
6395 @end example
6396
6397 will print
6398
6399 @example
6400     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6401     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6402 @end example
6403
6404 @cindex @code{index_dimensions}
6405 @cindex @code{no_index_dimensions}
6406 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6407 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6408 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6409 formats:
6410
6411 @example
6412 @{
6413     symbol x("x"), y("y");
6414     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6415     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6416
6417     cout << e << endl;
6418      // prints 'x~mu*y~nu'
6419     cout << index_dimensions << e << endl;
6420      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6421     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6422      // prints 'x~mu*y~nu'
6423 @}
6424 @end example
6425
6426
6427 @cindex Tree traversal
6428 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6429 with other algebra systems or for producing code for different
6430 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6431
6432 @example
6433 static void my_print(const ex & e)
6434 @{
6435     if (is_a<function>(e))
6436         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6437     else
6438         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6439     cout << "(";
6440     size_t n = e.nops();
6441     if (n)
6442         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6443             my_print(e.op(i));
6444             if (i != n-1)
6445                 cout << ",";
6446         @}
6447     else
6448         cout << e;
6449     cout << ")";
6450 @}
6451
6452 int main()
6453 @{
6454     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6455     return 0;
6456 @}
6457 @end example
6458
6459 This will produce
6460
6461 @example
6462 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6463 symbol(y))),numeric(-2)))
6464 @end example
6465
6466 If you need an output format that makes it possible to accurately
6467 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6468 object factory, you should consider storing the expression in an
6469 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6470 See the section on archiving for more information.
6471
6472
6473 @subsection Expression input
6474 @cindex input of expressions
6475
6476 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6477 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6478 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6479 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6480 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6481
6482 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6483 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6484
6485 @example
6486 @{
6487     symbol x, y;
6488     symtab table;
6489     table["x"] = x;
6490     table["y"] = y;
6491     parser reader(table);
6492     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6493 @}
6494 @end example
6495
6496 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6497 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6498 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6499 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6500 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6501 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6502
6503 @example
6504 @{
6505     symbol x, y;
6506     symtab table;
6507     table["x"] = x+log(y)+1;
6508     parser reader(table);
6509     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6510     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6511 @}
6512 @end example
6513
6514 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6515 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6516 with @code{get_syms()} method:
6517
6518 @example
6519 @{
6520     parser reader;
6521     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6522     symtab table = reader.get_syms();
6523     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6524     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6525 @}
6526 @end example
6527
6528 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6529 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6530
6531 @example
6532 @{
6533         symtab table;
6534         table["x"] = symbol();
6535         parser reader(table);
6536         parser.strict = true;
6537         ex e;
6538         try @{
6539                 e = reader("2*x+sin(y)");
6540         @} catch (parse_error& err) @{
6541                 cerr << err.what() << endl;
6542                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6543         @}
6544 @}
6545 @end example
6546
6547 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6548 When running the following program interactively, remember to send an
6549 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6550
6551 @example
6552 #include <iostream>
6553 #include <string>
6554 #include <stdexcept>
6555 #include <ginac/ginac.h>
6556 using namespace std;
6557 using namespace GiNaC;
6558
6559 int main()
6560 @{
6561         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6562         parser reader;
6563
6564         try @{
6565                 ex e = reader(cin);
6566                 symtab table = reader.get_syms();
6567                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6568                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6569                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6570                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6571         @} catch (exception &p) @{
6572                 cerr << p.what() << endl;
6573         @}
6574 @}
6575 @end example
6576
6577 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6578 @cindex compiling expressions
6579
6580 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6581 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6582 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6583 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6584 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6585 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6586 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6587 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6588 the numerical evaluation into different execution stages.
6589
6590 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6591 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6592 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6593 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6594 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6595 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6596
6597 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6598
6599 @example
6600     // ...
6601     symbol x("x");
6602     ex myexpr = sin(x) / x;
6603
6604     FUNCP_1P fp;
6605     compile_ex(myexpr, x, fp);
6606
6607     cout << fp(3.2) << endl;
6608     // ...
6609 @end example
6610
6611 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6612 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6613 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6614 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6615
6616 @cindex FUNCP_1P
6617 @cindex FUNCP_2P
6618 @cindex FUNCP_CUBA
6619 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6620 pointer types at the moment:
6621
6622 @example
6623     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6624     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6625     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6626 @end example
6627
6628 @cindex CUBA library
6629 @cindex Monte Carlo integration
6630 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6631 the correct type to be used with the CUBA library
6632 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6633 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6634
6635 @cindex compile_ex
6636 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6637
6638 @example
6639     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6640                     const std::string filename = "");
6641     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6642                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6643     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6644                     const std::string filename = "");
6645 @end example
6646
6647 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6648 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6649 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6650 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6651 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6652 deleted.
6653
6654 @cindex link_ex
6655 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6656 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6657 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6658 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6659 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6660 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6661 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6662
6663 @example
6664     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6665     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6666     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6667 @end example
6668
6669 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6670 to be supplied.
6671
6672 The function
6673
6674 @cindex unlink_ex
6675 @example
6676     void unlink_ex(const std::string filename);
6677 @end example
6678
6679 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6680 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6681 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6682 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6683
6684 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6685 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6686 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6687 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6688 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6689 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6690 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6691 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6692
6693 @cindex ginac-excompiler
6694 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6695 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6696 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6697 directory. You can also export additional compiler flags via the $CXXFLAGS
6698 variable:
6699
6700 @example
6701 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6702 compile_ex(...);
6703 @end example
6704
6705 @subsection Archiving
6706 @cindex @code{archive} (class)
6707 @cindex archiving
6708
6709 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6710 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6711 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6712 expression a unique name:
6713
6714 @example
6715 #include <fstream>
6716 using namespace std;
6717 #include <ginac/ginac.h>
6718 using namespace GiNaC;
6719
6720 int main()
6721 @{
6722     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6723
6724     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6725     ex bar = foo + 1;
6726
6727     archive a;
6728     a.archive_ex(foo, "foo");
6729     a.archive_ex(bar, "the second one");
6730     // ...
6731 @end example
6732
6733 The archive can then be written to a file:
6734
6735 @example
6736     // ...
6737     ofstream out("foobar.gar");
6738     out << a;
6739     out.close();
6740     // ...
6741 @end example
6742
6743 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6744 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6745
6746 @cindex @command{viewgar}
6747 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6748 the contents of GiNaC archive files:
6749
6750 @example
6751 $ viewgar foobar.gar
6752 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6753 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6754 @end example
6755
6756 The point of writing archive files is of course that they can later be
6757 read in again:
6758
6759 @example
6760     // ...
6761     archive a2;
6762     ifstream in("foobar.gar");
6763     in >> a2;
6764     // ...
6765 @end example
6766
6767 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6768
6769 @example
6770     // ...
6771     lst syms;
6772     syms = x, y;
6773
6774     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6775     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6776
6777     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6778     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6779     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6780 @}
6781 @end example
6782
6783 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6784 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6785 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6786 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6787 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6788 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6789 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6790 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6791
6792 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6793 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6794 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6795 functions that let you access the stored properties:
6796
6797 @example
6798 static void my_print2(const archive_node & n)
6799 @{
6800     string class_name;
6801     n.find_string("class", class_name);
6802     cout << class_name << "(";
6803
6804     archive_node::propinfovector p;
6805     n.get_properties(p);
6806
6807     size_t num = p.size();
6808     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6809         const string &name = p[i].name;
6810         if (name == "class")
6811             continue;
6812         cout << name << "=";
6813
6814         unsigned count = p[i].count;
6815         if (count > 1)
6816             cout << "@{";
6817
6818         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6819             switch (p[i].type) @{
6820                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6821                     bool x;
6822                     n.find_bool(name, x, j);
6823                     cout << (x ? "true" : "false");
6824                     break;
6825                 @}
6826                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6827                     unsigned x;
6828                     n.find_unsigned(name, x, j);
6829                     cout << x;
6830                     break;
6831                 @}
6832                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6833                     string x;
6834                     n.find_string(name, x, j);
6835                     cout << '\"' << x << '\"';
6836                     break;
6837                 @}
6838                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6839                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6840                     my_print2(x);
6841                     break;
6842                 @}
6843             @}
6844
6845             if (j != count-1)
6846                 cout << ",";
6847         @}
6848
6849         if (count > 1)
6850             cout << "@}";
6851
6852         if (i != num-1)
6853             cout << ",";
6854     @}
6855
6856     cout << ")";
6857 @}
6858
6859 int main()
6860 @{
6861     ex e = pow(2, x) - y;
6862     archive ar(e, "e");
6863     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6864     return 0;
6865 @}
6866 @end example
6867
6868 This will produce:
6869
6870 @example
6871 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6872 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6873 overall_coeff=numeric(number="0"))
6874 @end example
6875
6876 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6877 class may change between GiNaC versions.
6878
6879
6880 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6881 @c    node-name, next, previous, up
6882 @chapter Extending GiNaC
6883
6884 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6885 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6886 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6887 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6888 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6889 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6890
6891 @menu
6892 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6893 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6894 * Printing::                         Adding new output formats.
6895 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6896 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6897 @end menu
6898
6899
6900 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6901 @c    node-name, next, previous, up
6902 @section What doesn't belong into GiNaC
6903
6904 @cindex @command{ginsh}
6905 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6906 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6907 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6908 language.  There are no loops or conditional expressions in
6909 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6910 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6911 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6912 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6913 the future.
6914
6915 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6916 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6917 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6918 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6919 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6920 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6921 provided by CLN are much better suited.
6922
6923
6924 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6925 @c    node-name, next, previous, up
6926 @section Symbolic functions
6927
6928 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6929 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6930 two preprocessor macros:
6931
6932 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6933 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6934 @example
6935 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6936 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6937 @end example
6938
6939 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6940 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6941 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6942 @code{function} object that represents your function.
6943
6944 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6945 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6946 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6947 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6948 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6949 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6950 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6951 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6952
6953 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6954 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6955 done our best to avoid macros where we can.)
6956
6957 @subsection A minimal example
6958
6959 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6960 that is not further evaluated:
6961
6962 @example
6963 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6964
6965 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6966 @end example
6967
6968 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6969 in algebraic expressions:
6970
6971 @example
6972 @{
6973     ...
6974     symbol x("x");
6975     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6976     cout << e << endl;
6977      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6978     ...
6979 @}
6980 @end example
6981
6982 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6983 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6984 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6985 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6986
6987 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6988 example of how to make an "intelligent" function.
6989
6990 @subsection The cosine function
6991
6992 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6993
6994 @example
6995 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6996 @end example
6997
6998 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6999 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7000 this function in expressions.
7001
7002 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7003 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7004
7005 @example
7006 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7007                        evalf_func(cos_evalf).
7008                        derivative_func(cos_deriv).
7009                        latex_name("\\cos"));
7010 @end example
7011
7012 There are four options defined for the cosine function. One of them
7013 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7014 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7015 function are defined.
7016
7017 @cindex @code{hold()}
7018 @cindex evaluation
7019 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7020 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7021 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7022 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7023 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7024 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7025 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7026 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7027 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7028 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7029 somewhere.
7030
7031 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7032 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7033 what is going on):
7034
7035 @example
7036 static ex cos_eval(const ex & x)
7037 @{
7038     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7039         return 1;
7040     else if ("x is a multiple of Pi")
7041         return -1;
7042     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7043         return 0;
7044     // more rules...
7045
7046     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7047         return y;
7048     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7049         return sqrt(1-y^2);
7050     // more rules...
7051
7052     else
7053         return cos(x).hold();
7054 @}
7055 @end example
7056
7057 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7058
7059 @example
7060 @{
7061     ...
7062     e = cos(Pi);
7063      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7064      // the actual expression
7065     cout << e << endl;
7066      // prints '-1'
7067     ...
7068 @}
7069 @end example
7070
7071 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7072 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7073 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7074 with @code{.hold()}.
7075
7076 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7077 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7078 different function:
7079
7080 @example
7081 static ex cos_evalf(const ex & x)
7082 @{
7083     if (is_a<numeric>(x))
7084         return cos(ex_to<numeric>(x));
7085     else
7086         return cos(x).hold();
7087 @}
7088 @end example
7089
7090 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7091 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7092 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7093 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7094 function would require it in this place.
7095
7096 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7097 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7098 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7099 @code{ex::diff}):
7100
7101 @example
7102 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7103 @{
7104     return -sin(x);
7105 @}
7106 @end example
7107
7108 @cindex product rule
7109 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7110 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7111 case the function has more than one parameter, and its main application
7112 is for correct handling of the chain rule.
7113
7114 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7115 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7116 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7117
7118 @example
7119 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7120 @{
7121         return Order(arg.diff(s));
7122 @}
7123 @end example
7124
7125 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7126 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7127 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7128 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7129 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7130 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7131 @code{derivative_func}. 
7132
7133 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7134 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7135 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7136 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7137
7138 @example
7139 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7140                      int order, unsigned options)
7141 @{
7142     // Find the actual expansion point
7143     const ex x_pt = x.subs(rel);
7144
7145     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7146         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7147
7148     // On a pole, expand sin()/cos()
7149     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7150 @}
7151 @end example
7152
7153 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7154 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7155
7156 @subsection Function options
7157
7158 GiNaC functions understand several more options which are always
7159 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7160 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7161 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7162 functions without any special options.
7163
7164 @example
7165 eval_func(<C++ function>)
7166 evalf_func(<C++ function>)
7167 derivative_func(<C++ function>)
7168 expl_derivative_func(<C++ function>)
7169 series_func(<C++ function>)
7170 conjugate_func(<C++ function>)
7171 @end example
7172
7173 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7174 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7175 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7176 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7177
7178 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7179 automatic evaluation is desired or possible.
7180
7181 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7182 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7183 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7184 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7185 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7186 suitable transformation.
7187
7188 @example
7189 latex_name(const string & n)
7190 @end example
7191
7192 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7193 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7194
7195 @example
7196 do_not_evalf_params()
7197 @end example
7198
7199 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7200 function before calling the @code{evalf_func()}.
7201
7202 @example
7203 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7204 @end example
7205
7206 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7207 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7208 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7209 @code{return_type_t} created like
7210
7211 @example
7212 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7213 @end example
7214
7215 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7216 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7217 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7218 @code{make_return_type_t<>()} 
7219
7220 @example
7221 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7222 @end example
7223
7224 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7225 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7226 details).
7227
7228 @example
7229 set_symmetry(const symmetry & s)
7230 @end example
7231
7232 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7233 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7234 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7235 symmetric functions into a canonical order.
7236
7237 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7238 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7239 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7240 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7241 with the
7242
7243 @example
7244 print_func<C>(<C++ function>)
7245 @end example
7246
7247 option which is explained in the next section.
7248
7249 @subsection Functions with a variable number of arguments
7250
7251 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7252 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7253 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7254 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7255 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7256
7257 It is also possible to define functions that accept a different number of
7258 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7259 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7260 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7261 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7262 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7263 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7264 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7265 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7266
7267
7268 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7269 @c    node-name, next, previous, up
7270 @section GiNaC's expression output system
7271
7272 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7273 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7274 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7275 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7276 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7277 functions.
7278
7279 @cindex @code{print_context} (class)
7280 @cindex @code{print_dflt} (class)
7281 @cindex @code{print_latex} (class)
7282 @cindex @code{print_tree} (class)
7283 @cindex @code{print_csrc} (class)
7284 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7285 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7286 header file:
7287
7288 @table @code
7289 @item print_dflt
7290 the default output format
7291 @item print_latex
7292 output in LaTeX mathematical mode
7293 @item print_tree
7294 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7295 @item print_csrc
7296 the base class for C source output
7297 @item print_csrc_float
7298 C source output using the @code{float} type
7299 @item print_csrc_double
7300 C source output using the @code{double} type
7301 @item print_csrc_cl_N
7302 C source output using CLN types
7303 @end table
7304
7305 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7306
7307 @example
7308 class print_context
7309 @{
7310     ...
7311 public:
7312     std::ostream & s;
7313     unsigned options;
7314 @};
7315 @end example
7316
7317 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7318 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7319 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7320 to print the index dimension which is normally hidden.
7321
7322 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7323 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7324 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7325 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7326
7327 @cindex @code{print()}
7328 @example
7329 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7330 @end example
7331
7332 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7333 top-level algebraic object contained in the expression.
7334
7335 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7336 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7337 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7338 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7339 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7340 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7341 (single) virtual function dispatch.
7342
7343 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7344 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7345 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7346 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7347 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7348 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7349 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7350 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7351 object's class name enclosed in square brackets).
7352
7353 You can think of the print methods of all the different classes and output
7354 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7355 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7356 classes.
7357
7358 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7359 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7360 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7361 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7362 methods at run-time).
7363
7364 @subsection Print methods for classes
7365
7366 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7367 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7368 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7369 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7370 can also be used to override existing methods dynamically.
7371
7372 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7373 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7374 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7375 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7376 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7377 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7378 the class is the one being implemented by
7379 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7380
7381 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7382 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7383 @code{unsigned}.
7384
7385 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7386 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7387 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7388 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7389 private and protected members of @code{T}.
7390
7391 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7392 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7393 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7394 purposes if you write your own output formats.
7395
7396 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7397 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7398 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7399 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7400
7401 @example
7402 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7403                              const print_latex & c,
7404                              unsigned level)
7405 @{
7406     // get the precedence of the 'power' class
7407     unsigned power_prec = p.precedence();
7408
7409     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7410     // we need parentheses around the power
7411     if (level >= power_prec)
7412         c.s << '(';
7413
7414     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7415     // separated by an uparrow
7416     c.s << '@{';
7417     p.op(0).print(c, power_prec);
7418     c.s << "@}\\uparrow@{";
7419     p.op(1).print(c, power_prec);
7420     c.s << '@}';
7421
7422     // don't forget the closing parenthesis
7423     if (level >= power_prec)
7424         c.s << ')';
7425 @}
7426                                                                                 
7427 int main()
7428 @{
7429     // a sample expression
7430     symbol x("x"), y("y");
7431     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7432
7433     // switch to LaTeX mode
7434     cout << latex;
7435
7436     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7437     cout << e << endl;
7438
7439     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7440     // our own one
7441     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7442
7443     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7444     //              \uparrow@{2@}@}"
7445     cout << e << endl;
7446 @}
7447 @end example
7448
7449 Some notes:
7450
7451 @itemize
7452
7453 @item
7454 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7455 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7456
7457 @item
7458 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7459 @code{power} objects for the purpose of printing.
7460
7461 @item
7462 The output of products including negative powers as fractions is also
7463 controlled by the @code{mul} class.
7464
7465 @item
7466 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7467 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7468
7469 @end itemize
7470
7471 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7472 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7473 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7474 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7475 sources, find the method that is installed at startup
7476 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7477 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7478
7479 @subsection Print methods for functions
7480
7481 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7482 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7483 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7484 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7485 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7486
7487 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7488
7489 @example
7490 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7491 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7492                                                                                 
7493 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7494 @{
7495     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7496 @}
7497                                                                                 
7498 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7499 @{
7500     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7501 @}
7502                                                                                 
7503 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7504                        evalf_func(abs_evalf).
7505                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7506                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7507                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7508 @end example
7509
7510 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7511 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7512
7513 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7514
7515 @subsection Adding new output formats
7516
7517 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7518 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7519 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7520 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7521 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7522 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7523 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7524 options value.
7525
7526 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7527
7528 @example
7529 class print_myformat : public print_dflt
7530 @{
7531     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7532 public:
7533     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7534      : print_dflt(os, opt) @{@}
7535 @};
7536
7537 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7538
7539 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7540 @end example
7541
7542 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7543 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7544 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7545 format are implemented as print methods, as described above.
7546
7547 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7548 exactly like GiNaC's default output format:
7549
7550 @example
7551 @{
7552     symbol x("x");
7553     ex e = pow(x, 2) + 1;
7554
7555     // this prints "1+x^2"
7556     cout << e << endl;
7557     
7558     // this also prints "1+x^2"
7559     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7560
7561     ...
7562 @}
7563 @end example
7564
7565 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7566 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7567
7568 @example
7569 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7570 // example above for explanations.
7571 void print_power_as_myformat(const power & p,
7572                              const print_myformat & c,
7573                              unsigned level)
7574 @{
7575     unsigned power_prec = p.precedence();
7576     if (level >= power_prec)
7577         c.s << '(';
7578     p.op(0).print(c, power_prec);
7579     c.s << "**";
7580     p.op(1).print(c, power_prec);
7581     if (level >= power_prec)
7582         c.s << ')';
7583 @}
7584
7585 @{
7586     ...
7587     // install a new print method for power objects
7588     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7589
7590     // now this prints "1+x**2"
7591     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7592
7593     // but the default format is still "1+x^2"
7594     cout << e << endl;
7595 @}
7596 @end example
7597
7598
7599 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7600 @c    node-name, next, previous, up
7601 @section Structures
7602
7603 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7604 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7605 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7606 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7607 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7608
7609 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7610 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7611 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7612 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7613 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7614 read both sections because many common concepts and member functions are
7615 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7616 is most suited to your needs.
7617
7618 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7619 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7620 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7621
7622 @subsection Example: scalar products
7623
7624 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7625 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7626 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7627 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7628 product in a C++ @code{struct}:
7629
7630 @example
7631 #include <iostream>
7632 using namespace std;
7633
7634 #include <ginac/ginac.h>
7635 using namespace GiNaC;
7636
7637 struct sprod_s @{
7638     ex left, right;
7639
7640     sprod_s() @{@}
7641     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7642 @};
7643 @end example
7644
7645 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7646 data structure, we need only one line:
7647
7648 @example
7649 typedef structure<sprod_s> sprod;
7650 @end example
7651
7652 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7653 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7654 expressions like any other GiNaC class:
7655
7656 @example
7657 ...
7658     symbol a("a"), b("b");
7659     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7660 ...
7661 @end example
7662
7663 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7664 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7665 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7666 constructed from an @code{sprod_s} object.
7667
7668 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7669 you could define a little wrapper function like this:
7670
7671 @example
7672 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7673 @{
7674     return sprod(sprod_s(left, right));
7675 @}
7676 @end example
7677
7678 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7679 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7680 @code{get_struct()}:
7681
7682 @example
7683 ...
7684     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7685      // -> a
7686     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7687      // -> b
7688 ...
7689 @end example
7690
7691 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7692
7693 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7694 that deal with scalar products, for example:
7695
7696 @example
7697 ex swap_sprod(ex p)
7698 @{
7699     if (is_a<sprod>(p)) @{
7700         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7701         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7702     @} else
7703         return p;
7704 @}
7705
7706 ...
7707     f = swap_sprod(e);
7708      // f is now <b|a>
7709 ...
7710 @end example
7711
7712 @subsection Structure output
7713
7714 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7715 desired, most notably proper output:
7716
7717 @example
7718 ...
7719     cout << e << endl;
7720      // -> [structure object]
7721 ...
7722 @end example
7723
7724 By default, any structure types you define will be printed as
7725 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7726 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7727 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7728 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7729 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7730 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7731
7732 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7733 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7734
7735 @example
7736 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7737 @{
7738     // tree debug output handled by superclass
7739     if (is_a<print_tree>(c))
7740         inherited::print(c, level);
7741
7742     // get the contained sprod_s object
7743     const sprod_s & sp = get_struct();
7744
7745     // print_context::s is a reference to an ostream
7746     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7747 @}
7748 @end example
7749
7750 Now we can print expressions containing scalar products:
7751
7752 @example
7753 ...
7754     cout << e << endl;
7755      // -> <a|b>
7756     cout << swap_sprod(e) << endl;
7757      // -> <b|a>
7758 ...
7759 @end example
7760
7761 @subsection Comparing structures
7762
7763 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7764 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7765 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7766 and undesired behavior:
7767
7768 @example
7769 ...
7770     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7771      // -> 0
7772     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7773      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7774 ...
7775 @end example
7776
7777 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7778 for objects of type @code{sprod_s}:
7779
7780 @example
7781 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7782 @{
7783     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7784 @}
7785
7786 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7787 @{
7788     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7789            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7790 @}
7791 @end example
7792
7793 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7794 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7795 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7796 in the implementation of these operators because they would construct
7797 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7798 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7799 decide which one is algebraically 'less').
7800
7801 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7802 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7803
7804 @example
7805 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7806 @end example
7807
7808 @code{sprod} objects then behave as expected:
7809
7810 @example
7811 ...
7812     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7813      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7814     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7815      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7816     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7817      // -> 0
7818     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7819      // -> 2*<a|b>
7820 ...
7821 @end example
7822
7823 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7824 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7825 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7826 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7827 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7828 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7829
7830 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7831 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7832 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7833 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7834 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7835 undefined value) that the @code{T} class might have.
7836
7837 @subsection Subexpressions
7838
7839 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7840 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7841 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7842
7843 @example
7844 size_t sprod::nops() const
7845 @{
7846     return 2;
7847 @}
7848
7849 ex sprod::op(size_t i) const
7850 @{
7851     switch (i) @{
7852     case 0:
7853         return get_struct().left;
7854     case 1:
7855         return get_struct().right;
7856     default:
7857         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7858     @}
7859 @}
7860 @end example
7861
7862 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7863 @code{sprod} has two other nice side effects:
7864
7865 @itemize @bullet
7866 @item
7867 @code{has()} works as expected
7868 @item
7869 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7870 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7871 @end itemize
7872
7873 @cindex @code{let_op()}
7874 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7875 allows replacing subexpressions:
7876
7877 @example
7878 ex & sprod::let_op(size_t i)
7879 @{
7880     // every non-const member function must call this
7881     ensure_if_modifiable();
7882
7883     switch (i) @{
7884     case 0:
7885         return get_struct().left;
7886     case 1:
7887         return get_struct().right;
7888     default:
7889         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7890     @}
7891 @}
7892 @end example
7893
7894 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7895 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7896 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7897 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7898
7899 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7900 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7901 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7902 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7903 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7904 This is left as an exercise for the reader.
7905
7906 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7907 you can override by specialization to customize the behavior of your
7908 structures. You are referred to the next section for a description of
7909 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7910 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7911 @code{structure<T>} template: archiving.
7912
7913 @subsection Archiving structures
7914
7915 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7916 should first read the next section and then come back here. You're back?
7917 Good.
7918
7919 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7920 specializations for the @code{archive()} member function and the
7921 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7922 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7923 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7924 the class of an object is stored as a string, the class name.
7925
7926 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7927 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7928 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7929 need to provide a different name for each by specializing the
7930 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7931 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7932
7933 @example
7934 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7935
7936 void sprod::archive(archive_node & n) const
7937 @{
7938     inherited::archive(n);
7939     n.add_ex("left", get_struct().left);
7940     n.add_ex("right", get_struct().right);
7941 @}
7942
7943 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7944 @{
7945     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7946     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7947 @}
7948 @end example
7949
7950 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7951 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7952 @code{sprod::unarchive()} function.
7953
7954
7955 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7956 @c    node-name, next, previous, up
7957 @section Adding classes
7958
7959 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7960 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7961 severe of which being that you can't add any new member functions to
7962 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7963 from scratch.
7964
7965 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7966 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7967 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7968 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7969 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7970 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7971 representing tensor products is more involved but this section should give
7972 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7973 classes if you want to implement something more complicated.
7974
7975 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
7976
7977 @cindex hierarchy of classes
7978 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7979 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7980 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
7981 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
7982 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
7983 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
7984 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
7985 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
7986 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
7987 in @file{registrar.h}):
7988 @itemize @bullet
7989 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
7990 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7991 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
7992 @end itemize
7993
7994 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
7995 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
7996 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
7997 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
7998 the opening brace of the class definition.
7999
8000 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8001 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8002 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8003 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8004 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8005
8006 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8007 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8008 options, such as custom printing functions.
8009
8010 @subsection A minimalistic example
8011
8012 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8013 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8014 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8015 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8016 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8017 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8018
8019 The code snippets given here assume that you have included some header files
8020 as follows:
8021
8022 @example
8023 #include <iostream>
8024 #include <string>   
8025 #include <stdexcept>
8026 using namespace std;
8027
8028 #include <ginac/ginac.h>
8029 using namespace GiNaC;
8030 @end example
8031
8032 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8033 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8034 object from a string:
8035
8036 @example
8037 class mystring : public basic
8038 @{
8039     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8040   
8041 public:
8042     mystring(const string & s);
8043
8044 private:
8045     string str;
8046 @};
8047
8048 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8049 @end example
8050
8051 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8052 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8053 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8054 of a class so that printing and (un)archiving works.
8055
8056 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8057 class:
8058
8059 @itemize
8060
8061 @item
8062 @code{mystring()}, the default constructor.
8063
8064 @item
8065 @cindex @code{compare_same_type()}
8066 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8067 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8068 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8069 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8070 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8071 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8072 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8073 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8074 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8075 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8076 defined.
8077
8078 @item
8079 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8080 we declared.
8081
8082 @end itemize
8083
8084 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8085
8086 @example
8087 mystring::mystring() @{ @}
8088 @end example
8089
8090 In the default constructor you should set all other member variables to
8091 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8092 member gets set to an empty string automatically).
8093
8094 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8095 the string members:
8096
8097 @example
8098 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8099 @{
8100     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8101     int cmpval = str.compare(o.str);
8102     if (cmpval == 0)
8103         return 0;
8104     else if (cmpval < 0)
8105         return -1;
8106     else
8107         return 1;
8108 @}
8109 @end example
8110
8111 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8112 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8113 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8114 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8115 all relevant member variables.
8116
8117 Now the only thing missing is our constructor:
8118
8119 @example
8120 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8121 @end example
8122
8123 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8124
8125 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8126 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8127
8128 @example
8129 ex e = mystring("Hello, world!");
8130 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8131  // -> 1 (true)
8132
8133 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8134  // -> mystring
8135 @end example
8136
8137 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8138
8139 @example
8140 cout << e << endl;
8141  // -> [mystring object]
8142 @end example
8143
8144 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8145 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8146 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8147 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8148 surrounded by double quotes:
8149
8150 @example
8151 class mystring : public basic
8152 @{
8153     ...
8154 protected:
8155     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8156     ...
8157 @};
8158
8159 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8160 @{
8161     // print_context::s is a reference to an ostream
8162     c.s << '\"' << str << '\"';
8163 @}
8164 @end example
8165
8166 The @code{level} argument is only required for container classes to
8167 correctly parenthesize the output.
8168
8169 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8170 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8171 replace the line
8172
8173 @example
8174 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8175 @end example
8176
8177 with
8178
8179 @example
8180 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8181   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8182 @end example
8183
8184 Let's try again to print the expression:
8185
8186 @example
8187 cout << e << endl;
8188  // -> "Hello, world!"
8189 @end example
8190
8191 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8192 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8193 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8194 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8195 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8196 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8197 way expression output is implemented in GiNaC.
8198
8199 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8200
8201 @example
8202 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8203 cout << e << endl;
8204  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8205 @end example
8206
8207 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8208
8209 @example
8210 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8211 cout << e << endl;
8212  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8213 @end example
8214
8215 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8216 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8217 for your objects.
8218
8219 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8220
8221 @example
8222 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8223 cout << e << endl;
8224  // -> "Wow"^2
8225
8226 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8227 cout << e.expand() << endl;
8228  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8229 @end example
8230
8231 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8232 concatenation. You would have to implement this yourself.
8233
8234 @subsection Automatic evaluation
8235
8236 @cindex evaluation
8237 @cindex @code{eval()}
8238 @cindex @code{hold()}
8239 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8240 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8241 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8242 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8243 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8244 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8245
8246 @example
8247 class mystring : public basic
8248 @{
8249     ...
8250 public:
8251     ex eval(int level = 0) const;
8252     ...
8253 @};
8254
8255 ex mystring::eval(int level) const
8256 @{
8257     string new_str;
8258     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8259         char c = str[i];
8260         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8261             new_str += tolower(c);
8262         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8263             new_str += c;
8264     @}
8265
8266     if (new_str.length() == 0)
8267         return 0;
8268     else
8269         return mystring(new_str).hold();
8270 @}
8271 @end example
8272
8273 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8274 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8275 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8276 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8277 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8278 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8279 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8280 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8281
8282 Let's confirm that it works:
8283
8284 @example
8285 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8286 cout << e << endl;
8287  // -> "helloworld"
8288
8289 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8290 cout << e << endl;
8291  // -> 3*"wow"
8292 @end example
8293
8294 @subsection Optional member functions
8295
8296 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8297 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8298 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8299
8300 @cindex @code{calchash()}
8301 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8302 @example
8303 unsigned calchash() const;
8304 bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
8305 @end example
8306
8307 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8308 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8309 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8310 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8311 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8312 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8313
8314 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8315 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8316 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8317 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8318
8319 @subsection Other member functions
8320
8321 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8322 might want to provide:
8323
8324 @example
8325 bool info(unsigned inf) const;
8326 ex evalf(int level = 0) const;
8327 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8328 ex derivative(const symbol & s) const;
8329 @end example
8330
8331 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8332 previous section) you will probably want to override
8333
8334 @cindex @code{let_op()}
8335 @example
8336 size_t nops() cont;
8337 ex op(size_t i) const;
8338 ex & let_op(size_t i);
8339 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8340 ex map(map_function & f) const;
8341 @end example
8342
8343 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8344 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8345 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8346
8347 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8348 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8349 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8350 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8351 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8352 should become a need.
8353
8354 That's it. May the source be with you!
8355
8356 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8357
8358 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8359 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8360 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8361
8362 @example
8363 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8364 @end example
8365
8366 needs to be rewritten as
8367
8368 @example
8369 myclass::myclass() @{@}
8370 @end example
8371
8372 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8373 @c    node-name, next, previous, up
8374 @chapter A Comparison With Other CAS
8375 @cindex advocacy
8376
8377 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8378 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8379 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8380 disadvantages over these systems.
8381
8382 @menu
8383 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8384 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8385 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8386 @end menu
8387
8388 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8389 @c    node-name, next, previous, up
8390 @section Advantages
8391
8392 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8393 Algebra Systems, like 
8394
8395 @itemize @bullet
8396
8397 @item
8398 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8399 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8400 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8401 in common C++, which is standardized.
8402
8403 @cindex STL
8404 @item
8405 structured data types: you can build up structured data types using
8406 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8407 using unnamed lists of lists of lists.
8408
8409 @item
8410 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8411 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8412 nice for novice programmers, but dangerous.
8413     
8414 @item
8415 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8416 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8417 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8418
8419 @item
8420 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8421 separating interface and implementation.
8422
8423 @item
8424 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8425 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8426 C++-compilers for free, too.
8427     
8428 @item
8429 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8430 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8431 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8432 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8433 fix bugs in a traditional system.
8434
8435 @item
8436 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8437 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8438 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8439 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8440 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8441 all, of GiNaC's types to a command line.
8442
8443 @item
8444 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8445 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8446 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8447 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8448 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8449 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8450 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8451 system (i.e. @emph{Yacas}).
8452
8453 @item
8454 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8455 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8456 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8457 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8458 speed with other CAS.
8459
8460 @end itemize
8461
8462
8463 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8464 @c    node-name, next, previous, up
8465 @section Disadvantages
8466
8467 Of course it also has some disadvantages:
8468
8469 @itemize @bullet
8470
8471 @item
8472 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8473 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8474 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8475 respect to mathematical features.  Integration, 
8476 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8477 not planned for the near future).
8478
8479 @item
8480 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8481 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8482 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8483 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8484 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8485 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8486 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8487 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8488 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8489 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8490 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8491 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8492 literally.
8493     
8494 @end itemize
8495
8496
8497 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8498 @c    node-name, next, previous, up
8499 @section Why C++?
8500
8501 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8502 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8503 possible), separation between interface and implementation is not
8504 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8505 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8506 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8507 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8508 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8509 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8510 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8511 any other programming language.
8512
8513
8514 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8515 @c    node-name, next, previous, up
8516 @appendix Internal structures
8517
8518 @menu
8519 * Expressions are reference counted::
8520 * Internal representation of products and sums::
8521 @end menu
8522
8523 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8524 @c    node-name, next, previous, up
8525 @appendixsection Expressions are reference counted
8526
8527 @cindex reference counting
8528 @cindex copy-on-write
8529 @cindex garbage collection
8530 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8531 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8532 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8533 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8534 skip the rest of this passage.
8535
8536 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8537 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8538 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8539 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8540 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8541 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8542 of code:
8543
8544 @example
8545 #include <iostream>
8546 #include <ginac/ginac.h>
8547 using namespace std;
8548 using namespace GiNaC;
8549
8550 int main()
8551 @{
8552     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8553     ex e1, e2;
8554
8555     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8556     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8557     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8558     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8559     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8560 @}
8561 @end example
8562
8563 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8564 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8565 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8566 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8567 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8568 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8569 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8570 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8571 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8572 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8573 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8574 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8575 can be:
8576
8577 @example
8578 @{
8579     symbol x("x"), y("y");
8580
8581     ex e1 = x + 3*y;
8582     ex e2 = pow(e1, 3);
8583     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8584     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8585          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8586          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8587 @}
8588 @end example
8589
8590 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8591 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8592 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8593 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8594 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8595 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8596 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8597 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8598 @code{3*e1^2}.
8599
8600 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8601 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8602 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8603 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8604 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8605 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8606 semantics, we recommend you have a look at the
8607 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8608 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8609 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8610
8611
8612 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8613 @c    node-name, next, previous, up
8614 @appendixsection Internal representation of products and sums
8615
8616 @cindex representation
8617 @cindex @code{add}
8618 @cindex @code{mul}
8619 @cindex @code{power}
8620 Although it should be completely transparent for the user of
8621 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8622 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8623 unexpanded symbolic expression 
8624 @tex
8625 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8626 @end tex
8627 @ifnottex
8628 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8629 @end ifnottex
8630 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8631 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8632 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8633 fashion:
8634
8635 @ifnotinfo
8636 @image{repnaive}
8637 @end ifnotinfo
8638 @ifinfo
8639 <PICTURE MISSING>
8640 @end ifinfo
8641
8642 @cindex pair-wise representation
8643 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8644 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8645 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8646 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8647 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8648 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8649 becomes much more flat:
8650
8651 @ifnotinfo
8652 @image{reppair}
8653 @end ifnotinfo
8654 @ifinfo
8655 <PICTURE MISSING>
8656 @end ifinfo
8657
8658 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8659 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8660 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8661 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8662 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8663 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8664 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8665 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8666 representation, however, since they are still carrying a trivial
8667 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8668 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8669 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8670 representation for
8671 @tex
8672 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8673 @end tex
8674 @ifnottex
8675 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8676 @end ifnottex
8677
8678 @ifnotinfo
8679 @image{repreal}
8680 @end ifnotinfo
8681 @ifinfo
8682 <PICTURE MISSING>
8683 @end ifinfo
8684
8685 @cindex radical
8686 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8687 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8688 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8689 same abstract class: the data representation is the same, only the
8690 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8691 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8692 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8693
8694
8695 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8696 @c    node-name, next, previous, up
8697 @appendix Package tools
8698
8699 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8700 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8701 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8702 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8703 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8704 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8705 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8706 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8707 @example
8708 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8709 @end example
8710
8711 This command line might expand to (for example):
8712 @example
8713 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8714 @end example
8715
8716 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8717 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8718
8719 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8720 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8721 checking for libraries
8722
8723 @example
8724 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8725                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8726                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8727 @end example
8728
8729 This macro:
8730
8731 @itemize @bullet
8732
8733 @item
8734 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8735 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8736 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8737
8738 @item
8739 Tests the installed libraries to make sure that their version
8740 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8741
8742 @item
8743 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8744 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8745 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8746 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8747 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8748
8749 @item
8750 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8751
8752 @end itemize
8753
8754 @menu
8755 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8756 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8757 @end menu
8758
8759
8760 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8761 @c    node-name, next, previous, up
8762 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8763
8764 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8765 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8766 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8767 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8768 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8769
8770 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8771 system.
8772
8773 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8774 the linkers where to find the library one should
8775
8776 @itemize @bullet
8777 @item
8778 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8779 @example
8780 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8781 # ldconfig
8782 @end example
8783
8784 @item
8785 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8786 @example
8787 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8788 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8789 @end example
8790
8791 @item
8792 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8793 for instance:
8794
8795 @example
8796 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8797 @end example
8798 @end itemize
8799
8800 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8801 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8802 @example
8803 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8804 @end example
8805
8806 Finally, run the @command{configure} script
8807 @example
8808 $ ./configure 
8809 @end example
8810
8811 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8812
8813 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8814 @c    node-name, next, previous, up
8815 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8816
8817 The following shows how to build a simple package using automake
8818 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8819
8820 @example
8821 #include <iostream>
8822 #include <ginac/ginac.h>
8823
8824 int main()
8825 @{
8826     GiNaC::symbol x("x");
8827     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8828     std::cout << "Derivative of " << a 
8829               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8830     return 0;
8831 @}
8832 @end example
8833
8834 You should first read the introductory portions of the automake
8835 Manual, if you are not already familiar with it.
8836
8837 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8838 configure script:
8839
8840 @example
8841 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8842 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8843 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8844 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8845
8846 AC_PROG_CXX
8847 AC_PROG_INSTALL
8848 AC_LANG([C++])
8849
8850 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8851
8852 AC_OUTPUT(Makefile)
8853 @end example
8854
8855 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8856 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8857 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8858 @example
8859 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8860
8861 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8862
8863 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8864 installed software in a non-standard prefix.
8865
8866 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8867 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8868 See the pkg-config man page for more details.
8869 @end example
8870
8871 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8872
8873 @example
8874 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8875 bin_PROGRAMS = simple
8876 simple_SOURCES = simple.cpp
8877 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8878 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8879 @end example
8880
8881 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8882 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8883 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8884 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8885 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8886 basis.
8887
8888 To try this example out, create a new directory and add the three
8889 files above to it.
8890
8891 Now execute the following command:
8892
8893 @example
8894 $ autoreconf -i
8895 @end example
8896
8897 You now have a package that can be built in the normal fashion
8898
8899 @example
8900 $ ./configure
8901 $ make
8902 $ make install
8903 @end example
8904
8905
8906 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8907 @c    node-name, next, previous, up
8908 @appendix Bibliography
8909
8910 @itemize @minus{}
8911
8912 @item
8913 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
8914
8915 @item
8916 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8917
8918 @item
8919 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8920
8921 @item
8922 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8923
8924 @item
8925 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8926 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8927
8928 @item
8929 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8930 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8931 Academic Press, London
8932
8933 @item
8934 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8935 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8936
8937 @item
8938 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8939 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8940
8941 @item
8942 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8943 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8944
8945 @item
8946 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8947
8948 @end itemize
8949
8950
8951 @node Concept index, , Bibliography, Top
8952 @c    node-name, next, previous, up
8953 @unnumbered Concept index
8954
8955 @printindex cp
8956
8957 @bye