]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
1d060689837613c748f78bc52102d9423c5d36f2
[ginac.git] / doc / tutorial / ginac.texi
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename ginac.info
4 @settitle GiNaC, an open framework for symbolic computation within the C++ programming language
5 @setchapternewpage on
6 @afourpaper
7 @c For `info' only.
8 @paragraphindent 0
9 @c For TeX only.
10 @iftex
11 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
12 @parindent=0pt
13 @end iftex
14 @c %**end of header
15
16 @include version.texi
17
18 @direntry
19 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
20 @end direntry
21
22 @ifinfo
23 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
24 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
25
26 Copyright (C) 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
27
28 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
29 this manual provided the copyright notice and this permission notice
30 are preserved on all copies.
31
32 @ignore
33 Permission is granted to process this file through TeX and print the
34 results, provided the printed document carries copying permission
35 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
36
37 @end ignore
38 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
39 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
40 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
41 notice identical to this one.
42 @end ifinfo
43
44 @finalout
45 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
46 @titlepage
47 @title GiNaC @value{VERSION}
48 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
49 @subtitle @value{UPDATED}
50 @author The GiNaC Group:
51 @author Christian Bauer, Alexander Frink, Richard Kreckel
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2000 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Important Algorithms::         Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistical structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2000 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace GiNaC;
184
185 int main()
186 @{
187     symbol x("x"), y("y");
188     ex poly;
189
190     for (int i=0; i<3; ++i)
191         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
192
193     cout << poly << endl;
194     return 0;
195 @}
196 @end example
197
198 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
199 and run it like this:
200
201 @example
202 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
203 $ ./hello
204 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
205 @end example
206
207 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
208 package that uses GiNaC.)
209
210 @cindex Hermite polynomial
211 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
212 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
213
214 @example
215 #include <ginac/ginac.h>
216 using namespace GiNaC;
217
218 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
219 @{
220     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
221     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
222     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
223 @}
224
225 int main()
226 @{
227     symbol z("z");
228
229     for (int i=0; i<6; ++i)
230         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
231
232     return 0;
233 @}
234 @end example
235
236 When run, this will type out
237
238 @example
239 H_0(z) == 1
240 H_1(z) == 2*z
241 H_2(z) == 4*z^2-2
242 H_3(z) == -12*z+8*z^3
243 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
244 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
245 @end example
246
247 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
248 for production purposes.
249
250 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
251 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
252 convenient window into GiNaC's capabilities.
253
254
255 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
256 @c    node-name, next, previous, up
257 @section What it can do for you
258
259 @cindex @command{ginsh}
260 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
261 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
262 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
263 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
264 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
265 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
266 @code{==} compares.
267
268 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
269 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
270 integers:
271
272 @example
273 > x=3^150;
274 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
275 > y=3^149;
276 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
277 > x/y;
278 3
279 > y/x;
280 1/3
281 @end example
282
283 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
284 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
285 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
286 can be expanded:
287
288 @example
289 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
290 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
291 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
292 10-5*3^(3/5)
293 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
294 0.33408977534118624228
295 @end example
296
297 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
298 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
299 arbitrary predefined accuracy:
300
301 @example
302 > evalf(1/7);
303 0.14285714285714285714
304 > Digits=150;
305 150
306 > evalf(1/7);
307 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
308 5714285714285714285714285714285714285
309 @end example
310
311 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
312 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
313 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
314 numeric expressions (as an inexact number):
315
316 @example
317 > a=Pi^2+x;
318 x+Pi^2
319 > evalf(a);
320 9.869604401089358619+x
321 > x=2;
322 2
323 > evalf(a);
324 11.869604401089358619
325 @end example
326
327 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
328 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
329 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
330
331 @example
332 > cos(42*Pi);
333 1
334 > cos(acos(x));
335 x
336 > acos(cos(x));
337 acos(cos(x))
338 @end example
339
340 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
341 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
342
343 Linear equation systems can be solved along with basic linear
344 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
345 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
346 @command{ginsh}'s notation of double brackets to type them in:
347
348 @example
349 > lsolve(a+x*y==z,x);
350 y^(-1)*(z-a);
351 > lsolve([3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5], [x, y]);
352 [x==19/8,y==-1/40]
353 > M = [[ [[1, 3]], [[-3, 2]] ]];
354 [[ [[1,3]], [[-3,2]] ]]
355 > determinant(M);
356 11
357 > charpoly(M,lambda);
358 lambda^2-3*lambda+11
359 @end example
360
361 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
362 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
363 polynomials):
364
365 @example
366 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
367 -3*y^4+x^4+12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y
368 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
369 -y^2+x^2+4*x*y
370 > expand(a*b);
371 3*y^6+x^6-24*x*y^5+43*x^2*y^4+16*x^3*y^3+17*x^4*y^2+8*x^5*y
372 > collect(a*b,x);
373 3*y^6+48*x*y^4+2*x^2*y^2+x^4*(-y^2+x^2+4*x*y)+4*x^3*y*(-y^2+x^2+4*x*y)
374 > normal(a/b);
375 3*y^2+x^2
376 @end example
377
378 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
379 series (the third argument of @code{series} is the evaluation point, the
380 fourth defines the order):
381
382 @cindex Zeta function
383 @example
384 > diff(tan(x),x);
385 tan(x)^2+1
386 > series(sin(x),x,0,4);
387 x-1/6*x^3+Order(x^4)
388 > series(1/tan(x),x,0,4);
389 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
390 > series(gamma(x),x,0,3);
391 x^(-1)-EulerGamma+(1/12*Pi^2+1/2*EulerGamma^2)*x
392 +(-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*EulerGamma-1/6*EulerGamma^3)*x^2+Order(x^3)
393 > evalf(");
394 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
395 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
396 > series(gamma(2*sin(x)-2),x,Pi/2,6);
397 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*EulerGamma^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
398 -EulerGamma-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
399 @end example
400
401 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{"} to pop the
402 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
403
404 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
405 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
406 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
407 metric system is now easy:
408
409 @example
410 > in=.0254*m;
411 0.0254*m
412 > lb=.45359237*kg;
413 0.45359237*kg
414 > 200*lb/in^2;
415 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
416 @end example
417
418
419 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
420 @c    node-name, next, previous, up
421 @chapter Installation
422
423 @cindex CLN
424 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
425 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
426 installation.
427
428 @menu
429 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
430 * Configuration::                How to configure GiNaC.
431 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
432 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
433 @end menu
434
435
436 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
437 @c    node-name, next, previous, up
438 @section Prerequisites
439
440 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
441 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
442 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used @acronym{GCC} for
443 development so if you have a different compiler you are on your own.
444 For the configuration to succeed you need a Posix compliant shell
445 installed in @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed
446 by the built process as well, since some of the source files are
447 automatically generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno
448 Haible's library @acronym{CLN} is extensively used and needs to be
449 installed on your system.  Please get it either from
450 @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
451 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
452 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
453 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
454 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
455 it will refuse to continue.
456
457
458 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
459 @c    node-name, next, previous, up
460 @section Configuration
461 @cindex configuration
462 @cindex Autoconf
463
464 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
465 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
466 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
467 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
468 prompts, all customization must be done either via command line
469 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
470 the complete set of which can be listed by calling it with the
471 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
472 described in what follows:
473
474 @itemize @bullet
475
476 @item
477 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
478 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
479 when developing because it considerably speeds up compilation.
480
481 @item
482 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
483 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
484 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
485 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
486 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
487
488 @item
489 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
490 the library installed in some other directory than
491 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
492
493 @item
494 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
495 to have the header files installed in some other directory than
496 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
497 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
498 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
499 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
500 keep the header files separated from others.  This avoids some
501 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
502 to be considered A Good Thing (tm).
503
504 @item
505 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
506 want to have the documentation installed in some other directory than
507 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
508
509 @end itemize
510
511 In addition, you may specify some environment variables.
512 @env{CXX} holds the path and the name of the C++ compiler
513 in case you want to override the default in your path.  (The
514 @command{configure} script searches your path for @command{c++},
515 @command{g++}, @command{gcc}, @command{CC}, @command{cxx}
516 and @command{cc++} in that order.)  It may be very useful to
517 define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS} environment
518 variable, like optimization, debugging information and warning
519 levels.  If omitted, it defaults to @option{-g -O2}.
520
521 The whole process is illustrated in the following two
522 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
523 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
524 your login shell.)
525
526 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
527 everything is in default paths:
528
529 @example
530 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
531 $ ./configure
532 @end example
533
534 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
535 several components sitting in custom places (site-wide @acronym{GCC} and
536 private @acronym{CLN}).  The compiler is pursuaded to be picky and full
537 assertions and debugging information are switched on:
538
539 @example
540 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
541 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
542 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -ansi -pedantic"
543 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
544 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
545 @end example
546
547
548 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
549 @c    node-name, next, previous, up
550 @section Building GiNaC
551 @cindex building GiNaC
552
553 After proper configuration you should just build the whole
554 library by typing
555 @example
556 $ make
557 @end example
558 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
559 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
560 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
561 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
562
563 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
564 regression tests by typing
565
566 @example
567 $ make check
568 @end example
569
570 This will compile some sample programs, run them and check the output
571 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
572 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
573 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
574 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
575 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
576 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
577 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
578 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
579 was broken during development, not a sanity check of your system.
580 Another intent is to allow people to fiddle around with optimization.
581
582 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
583 subdirectories.  It is therfore safe to go into any subdirectory
584 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, ...) and simply type @code{make}
585 @var{target} there in case something went wrong.
586
587
588 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
589 @c    node-name, next, previous, up
590 @section Installing GiNaC
591 @cindex installation
592
593 To install GiNaC on your system, simply type
594
595 @example
596 $ make install
597 @end example
598
599 As described in the section about configuration the files will be
600 installed in the following directories (the directories will be created
601 if they don't already exist):
602
603 @itemize @bullet
604
605 @item
606 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
607 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
608 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
609 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
610 will be established as well.
611
612 @item
613 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
614 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
615
616 @item
617 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
618 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
619 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
620
621 @end itemize
622
623 For the sake of completeness we will list some other useful make
624 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
625 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
626 distclean} removes all files generated by the configuration and
627 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
628 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
629 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
630 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
631 work after you have called @command{make distclean} since the
632 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
633 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
634 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
635 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
636 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
637 do it by hand since you now know where all the files went during
638 installation.}.
639
640
641 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @chapter Basic Concepts
644
645 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
646 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
647 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
648 meta-class for storing all mathematical objects.
649
650 @menu
651 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
652 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
653 * Symbols::                      Symbolic objects.
654 * Numbers::                      Numerical objects.
655 * Constants::                    Pre-defined constants.
656 * Fundamental containers::       The power, add and mul classes.
657 * Built-in functions::           Mathematical functions.
658 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
659 * Archiving::                    Storing expression libraries in files.
660 @end menu
661
662
663 @node Expressions, The Class Hierarchy, Basic Concepts, Basic Concepts
664 @c    node-name, next, previous, up
665 @section Expressions
666 @cindex expression (class @code{ex})
667 @cindex @code{has()}
668
669 The most common class of objects a user deals with is the expression
670 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
671 function, sum, product, etc...  Expressions may be put together to form
672 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
673 little collection of valid expressions:
674
675 @example
676 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
677 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
678 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
679 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
680 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
681 @end example
682
683 Expressions are handles to other more fundamental objects, that many
684 times contain other expressions thus creating a tree of expressions
685 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
686 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
687 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
688 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
689 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
690 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
691
692 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
693 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
694 @code{ex}.
695
696
697 @node The Class Hierarchy, Symbols, Expressions, Basic Concepts
698 @c    node-name, next, previous, up
699 @section The Class Hierarchy
700
701 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
702 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
703 helpers) are internally derived from one abstract base class called
704 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
705 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
706 containers of expressions and so on.  You'll soon learn in this chapter
707 how many of the functions on symbols are really classes.  This is
708 because simple symbolic arithmetic is not supported by languages like
709 C++ so in a certain way GiNaC has to implement its own arithmetic.
710
711 @cindex container
712 @cindex atom
713 To get an idea about what kinds of symbolic composits may be built we
714 have a look at the most important classes in the class hierarchy.  The
715 oval classes are atomic ones and the squared classes are containers.
716 The dashed line symbolizes a `points to' or `handles' relationship while
717 the solid lines stand for `inherits from' relationship in the class
718 hierarchy:
719
720 @image{classhierarchy}
721
722 Some of the classes shown here (the ones sitting in white boxes) are
723 abstract base classes that are of no interest at all for the user.  They
724 are used internally in order to avoid code duplication if two or more
725 classes derived from them share certain features.  An example would be
726 @code{expairseq}, which is a container for a sequence of pairs each
727 consisting of one expression and a number (@code{numeric}).  What
728 @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add} and
729 @code{mul}, representing sums of terms and products, respectively.
730 @xref{Internal Structures}, where these two classes are described in
731 more detail.
732
733 At this point, we only summarize what kind of mathematical objects are
734 stored in the different classes in above diagram in order to give you a
735 overview:
736
737 @cartouche
738 @multitable @columnfractions .22 .78
739 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
740 @item @code{constant} @tab Constants like 
741 @tex
742 $\pi$
743 @end tex
744 @ifnottex
745 @math{Pi}
746 @end ifnottex
747 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
748 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a+(2*b)+3}
749 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{a*(x+y+z)*b*2}
750 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
751 @tex
752 $\sqrt{2}$
753 @end tex
754 @ifnottex
755 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
756 @end ifnottex
757 @dots{}
758 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x+1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
759 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
760 @item @code{lst} @tab Lists of expressions [@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}]
761 @item @code{matrix} @tab @math{n}x@math{m} matrices of expressions
762 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
763 @item @code{color} @tab Element of the @math{SU(3)} Lie-algebra
764 @item @code{isospin} @tab Element of the @math{SU(2)} Lie-algebra
765 @item @code{idx} @tab Index of a tensor object
766 @item @code{coloridx} @tab Index of a @math{SU(3)} tensor
767 @end multitable
768 @end cartouche
769
770 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
771 @c    node-name, next, previous, up
772 @section Symbols
773 @cindex @code{symbol} (class)
774 @cindex hierarchy of classes
775
776 @cindex atom
777 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
778 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
779 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
780 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
781 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
782 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
783 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
784 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
785 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
786 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
787 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
788 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
789 come across examples of such symbols later in this tutorial.
790
791 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
792 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
793 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
794 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
795 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
796 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
797 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
798 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
799 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
800 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
801
802 @cindex @code{subs()}
803 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
804 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
805 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
806 can use the expression's @code{.subs()} method.
807
808
809 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
810 @c    node-name, next, previous, up
811 @section Numbers
812 @cindex @code{numeric} (class)
813
814 @cindex GMP
815 @cindex CLN
816 @cindex rational
817 @cindex fraction
818 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library
819 @acronym{CLN}.  The classes therein serve as foundation classes for
820 GiNaC.  @acronym{CLN} stands for Class Library for Numbers or
821 alternatively for Common Lisp Numbers.  In order to find out more about
822 @acronym{CLN}'s internals the reader is refered to the documentation of
823 that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for more
824 information. Suffice to say that it is by itself build on top of another
825 library, the GNU Multiple Precision library @acronym{GMP}, which is an
826 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
827 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
828 by several popular cryptographic applications.  @acronym{CLN} extends
829 @acronym{GMP} by several useful things: First, it introduces the complex
830 number field over either reals (i.e. floating point numbers with
831 arbitrary precision) or rationals.  Second, it automatically converts
832 rationals to integers if the denominator is unity and complex numbers to
833 real numbers if the imaginary part vanishes and also correctly treats
834 algebraic functions.  Third it provides good implementations of
835 state-of-the-art algorithms for all trigonometric and hyperbolic
836 functions as well as for calculation of some useful constants.
837
838 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
839 ways.  The following example shows the four most important constructors.
840 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
841 integers, construction from C-float and construction from a string:
842
843 @example
844 #include <ginac/ginac.h>
845 using namespace GiNaC;
846
847 int main()
848 @{
849     numeric two(2);                       // exact integer 2
850     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
851     numeric e(2.71828);                   // floating point number
852     numeric p("3.1415926535897932385");   // floating point number
853     // Trott's constant in scientific notation:
854     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
855     
856     cout << two*p << endl;  // floating point 6.283...
857     // ...
858 @}
859 @end example
860
861 Note that all those constructors are @emph{explicit} which means you are
862 not allowed to write @code{numeric two=2;}.  This is because the basic
863 objects to be handled by GiNaC are the expressions @code{ex} and we want
864 to keep things simple and wish objects like @code{pow(x,2)} to be
865 handled the same way as @code{pow(x,a)}, which means that we need to
866 allow a general @code{ex} as base and exponent.  Therefore there is an
867 implicit constructor from C-integers directly to expressions handling
868 numerics at work in most of our examples.  This design really becomes
869 convenient when one declares own functions having more than one
870 parameter but it forbids using implicit constructors because that would
871 lead to compile-time ambiguities.
872
873 It may be tempting to construct numbers writing @code{numeric r(3/2)}.
874 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
875 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
876 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
877 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
878 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
879 also.
880
881 @cindex @code{Digits}
882 @cindex accuracy
883 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
884 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
885 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
886 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
887 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
888 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
889 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
890 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
891 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
892 digits:
893
894 @example
895 #include <ginac/ginac.h>
896 using namespace GiNaC;
897
898 void foo()
899 @{
900     numeric three(3.0), one(1.0);
901     numeric x = one/three;
902
903     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
904     cout << x << endl;
905     cout << Pi.evalf() << endl;
906 @}
907
908 int main()
909 @{
910     foo();
911     Digits = 60;
912     foo();
913     return 0;
914 @}
915 @end example
916
917 The above example prints the following output to screen:
918
919 @example
920 in 17 digits:
921 0.333333333333333333
922 3.14159265358979324
923 in 60 digits:
924 0.333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
925 3.14159265358979323846264338327950288419716939937510582097494459231
926 @end example
927
928 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
929 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
930 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
931
932 @subsection Tests on numbers
933
934 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
935 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
936 kind of information from them like asking whether that number is
937 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
938 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
939 certain CLN functions.)
940
941 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
942 some multiple of its denominator and test what comes out:
943
944 @example
945 #include <ginac/ginac.h>
946 using namespace GiNaC;
947
948 // some very important constants:
949 const numeric twentyone(21);
950 const numeric ten(10);
951 const numeric five(5);
952
953 int main()
954 @{
955     numeric answer = twentyone;
956
957     answer /= five;
958     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
959     answer *= ten;
960     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
961     // ...
962 @}
963 @end example
964
965 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
966 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
967 holds a rational number represented as integer numerator and integer
968 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
969 the result is automatically converted to a pure integer again.
970 Internally, the underlying @acronym{CLN} is responsible for this
971 behaviour and we refer the reader to @acronym{CLN}'s documentation.
972 Suffice to say that the same behaviour applies to complex numbers as
973 well as return values of certain functions.  Complex numbers are
974 automatically converted to real numbers if the imaginary part becomes
975 zero.  The full set of tests that can be applied is listed in the
976 following table.
977
978 @cartouche
979 @multitable @columnfractions .30 .70
980 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
981 @item @code{.is_zero()}
982 @tab @dots{}equal to zero
983 @item @code{.is_positive()}
984 @tab @dots{}not complex and greater than 0
985 @item @code{.is_integer()}
986 @tab @dots{}a (non-complex) integer
987 @item @code{.is_pos_integer()}
988 @tab @dots{}an integer and greater than 0
989 @item @code{.is_nonneg_integer()}
990 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
991 @item @code{.is_even()}
992 @tab @dots{}an even integer
993 @item @code{.is_odd()}
994 @tab @dots{}an odd integer
995 @item @code{.is_prime()}
996 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
997 @item @code{.is_rational()}
998 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
999 @item @code{.is_real()}
1000 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1001 @item @code{.is_cinteger()}
1002 @tab @dots{}a (complex) integer, such as @math{2-3*I}
1003 @item @code{.is_crational()}
1004 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1005 @end multitable
1006 @end cartouche
1007
1008
1009 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1010 @c    node-name, next, previous, up
1011 @section Constants
1012 @cindex @code{constant} (class)
1013
1014 @cindex @code{Pi}
1015 @cindex @code{Catalan}
1016 @cindex @code{EulerGamma}
1017 @cindex @code{evalf()}
1018 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1019 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1020
1021 The predefined known constants are:
1022
1023 @cartouche
1024 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1025 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1026 @item @code{Pi}
1027 @tab Archimedes' constant
1028 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1029 @item @code{Catalan}
1030 @tab Catalan's constant
1031 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1032 @item @code{EulerGamma}
1033 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1034 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1035 @end multitable
1036 @end cartouche
1037
1038
1039 @node Fundamental containers, Built-in functions, Constants, Basic Concepts
1040 @c    node-name, next, previous, up
1041 @section Fundamental containers: the @code{power}, @code{add} and @code{mul} classes
1042 @cindex polynomial
1043 @cindex @code{add}
1044 @cindex @code{mul}
1045 @cindex @code{power}
1046
1047 Simple polynomial expressions are written down in GiNaC pretty much like
1048 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1049 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1050 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1051 program, the constructor for an object of type @code{mul} is
1052 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1053 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1054 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1055
1056 @example
1057 #include <ginac/ginac.h>
1058 using namespace GiNaC;
1059
1060 int main()
1061 @{
1062     symbol a("a"), b("b");
1063     ex MyTerm = 1+a*b;
1064     // ...
1065 @}
1066 @end example
1067
1068 @cindex @code{pow()}
1069 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1070 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1071 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1072 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1073 have several counterintuitive effects:
1074
1075 @itemize @bullet
1076 @item
1077 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1078 @item
1079 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1080 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1081 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1082 @item
1083 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1084 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1085 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1086 for exclusive or.  (It would be embarassing to return @code{1} where one
1087 has requested @code{2^3}.)
1088 @end itemize
1089
1090 @cindex @command{ginsh}
1091 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1092 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1093 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1094 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1095 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1096 not exist at all in C++).
1097
1098 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1099 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1100 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1101 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1102 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1103 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1104 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1105 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1106 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1107 @code{x} negative.
1108
1109 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1110 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1111 and safe simplifications are carried out like transforming
1112 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1113
1114 The general rule is that when you construct such objects, GiNaC
1115 automatically creates them in canonical form, which might differ from
1116 the form you typed in your program.  This allows for rapid comparison of
1117 expressions, since after all @code{a-a} is simply zero.  Note, that the
1118 canonical form is not necessarily lexicographical ordering or in any way
1119 easily guessable.  It is only guaranteed that constructing the same
1120 expression twice, either implicitly or explicitly, results in the same
1121 canonical form.
1122
1123
1124 @node Built-in functions, Relations, Fundamental containers, Basic Concepts
1125 @c    node-name, next, previous, up
1126 @section Built-in functions
1127 @cindex @code{function} (class)
1128 @cindex trigonometric function
1129 @cindex hyperbolic function
1130
1131 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1132 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented.
1133 They are all objects of class @code{function}.  They accept one or more
1134 expressions as arguments and return one expression.  If the arguments
1135 are not numerical, the evaluation of the function may be halted, as it
1136 does in the next example:
1137
1138 @cindex Gamma function
1139 @cindex @code{subs()}
1140 @example
1141 #include <ginac/ginac.h>
1142 using namespace GiNaC;
1143
1144 int main()
1145 @{
1146     symbol x("x"), y("y");
1147     
1148     ex foo = x+y/2;
1149     cout << "gamma(" << foo << ") -> " << gamma(foo) << endl;
1150     ex bar = foo.subs(y==1);
1151     cout << "gamma(" << bar << ") -> " << gamma(bar) << endl;
1152     ex foobar = bar.subs(x==7);
1153     cout << "gamma(" << foobar << ") -> " << gamma(foobar) << endl;
1154     // ...
1155 @}
1156 @end example
1157
1158 This program shows how the function returns itself twice and finally an
1159 expression that may be really useful:
1160
1161 @example
1162 gamma(x+(1/2)*y) -> gamma(x+(1/2)*y)
1163 gamma(x+1/2) -> gamma(x+1/2)
1164 gamma(15/2) -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1165 @end example
1166
1167 @cindex branch cut
1168 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
1169 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard.  In particular:
1170 the natural logarithm (@code{log}) and the square root (@code{sqrt})
1171 both have their branch cuts running along the negative real axis where
1172 the points on the axis itself belong to the upper part.
1173
1174 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1175 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1176 this.
1177
1178
1179 @node Relations, Archiving, Built-in functions, Basic Concepts
1180 @c    node-name, next, previous, up
1181 @section Relations
1182 @cindex @code{relational} (class)
1183
1184 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1185 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1186 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1187 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1188 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1189 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1190
1191 @xref{Built-in functions}, for examples where various applications of
1192 the @code{.subs()} method show how objects of class relational are used
1193 as arguments.  There they provide an intuitive syntax for substitutions.
1194 They can also used for creating systems of equations that are to be
1195 solved for unknown variables.
1196
1197
1198 @node Archiving, Important Algorithms, Relations, Basic Concepts
1199 @c    node-name, next, previous, up
1200 @section Archiving Expressions
1201 @cindex I/O
1202 @cindex @code{archive} (class)
1203
1204 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
1205 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
1206 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
1207 expressions a unique name:
1208
1209 @example
1210 #include <ginac/ginac.h>
1211 #include <fstream>
1212 using namespace GiNaC;
1213
1214 int main()
1215 @{
1216     symbol x("x"), y("y"), z("z");
1217
1218     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
1219     ex bar = foo + 1;
1220
1221     archive a;
1222     a.archive_ex(foo, "foo");
1223     a.archive_ex(bar, "the second one");
1224     // ...
1225 @end example
1226
1227 The archive can then be written to a file:
1228
1229 @example
1230     // ...
1231     ofstream out("foobar.gar");
1232     out << a;
1233     out.close();
1234     // ...
1235 @end example
1236
1237 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
1238 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
1239
1240 @cindex @command{viewgar}
1241 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
1242 the contents of GiNaC archive files:
1243
1244 @example
1245 $ viewgar foobar.gar
1246 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
1247 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
1248 @end example
1249
1250 The point of writing archive files is of course that they can later be
1251 read in again:
1252
1253 @example
1254     // ...
1255     archive a2;
1256     ifstream in("foobar.gar");
1257     in >> a2;
1258     // ...
1259 @end example
1260
1261 And the stored expressions can be retrieved by their name:
1262
1263 @example
1264     // ...
1265     lst syms;
1266     syms.append(x); syms.append(y);
1267
1268     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
1269     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
1270
1271     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
1272     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
1273     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
1274     // ...
1275 @}
1276 @end example
1277
1278 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
1279 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
1280 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
1281 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
1282 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
1283 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
1284 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
1285 the program, altough both would appear as @samp{x} when printed.
1286
1287
1288
1289 @node Important Algorithms, Polynomial Expansion, Archiving, Top
1290 @c    node-name, next, previous, up
1291 @chapter Important Algorithms
1292 @cindex polynomial
1293
1294 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
1295 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
1296 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
1297 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
1298 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
1299 example:
1300
1301 @example
1302 #include <ginac/ginac.h>
1303 using namespace GiNaC;
1304
1305 int main()
1306 @{
1307     ex x = numeric(1.0);
1308     
1309     cout << "As method:   " << sin(x).evalf() << endl;
1310     cout << "As function: " << evalf(sin(x)) << endl;
1311     // ...
1312 @}
1313 @end example
1314
1315 @cindex @code{subs()}
1316 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
1317 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
1318 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
1319 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
1320 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
1321 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
1322 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
1323 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
1324 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
1325 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
1326 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
1327 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
1328 as simple inline functions which just call the corresponding method and
1329 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
1330 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
1331 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
1332 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
1333 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
1334 avoided.
1335
1336 @menu
1337 * Polynomial Expansion::
1338 * Collecting expressions::
1339 * Polynomial Arithmetic::
1340 * Symbolic Differentiation::
1341 * Series Expansion::
1342 @end menu
1343
1344
1345 @node Polynomial Expansion, Collecting expressions, Important Algorithms, Important Algorithms
1346 @c    node-name, next, previous, up
1347 @section Polynomial Expansion
1348 @cindex @code{expand()}
1349
1350 A polynomial in one or more variables has many equivalent
1351 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
1352 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
1353 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
1354 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
1355 representations are the recursive ones where one collects for exponents
1356 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
1357 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
1358 repeated.  In our expample, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
1359 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
1360 x*z}.
1361
1362 To bring an expression into expanded form, its method @code{.expand()}
1363 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
1364 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
1365 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
1366 orderings of terms in such sums!
1367
1368
1369 @node Collecting expressions, Polynomial Arithmetic, Polynomial Expansion, Important Algorithms
1370 @c    node-name, next, previous, up
1371 @section Collecting expressions
1372 @cindex @code{collect()}
1373 @cindex @code{coeff()}
1374
1375 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
1376 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
1377 being polynomials in the remaining variables.  The method
1378 @code{collect()} accomplishes this task.  Here is its declaration:
1379
1380 @example
1381 ex ex::collect(const symbol & s);
1382 @end example
1383
1384 Note that the original polynomial needs to be in expanded form in order
1385 to be able to find the coefficients properly.  The range of occuring
1386 coefficients can be checked using the two methods
1387
1388 @cindex @code{degree()}
1389 @cindex @code{ldegree()}
1390 @example
1391 int ex::degree(const symbol & s);
1392 int ex::ldegree(const symbol & s);
1393 @end example
1394
1395 where @code{degree()} returns the highest coefficient and
1396 @code{ldegree()} the lowest one.  (These two methods work also reliably
1397 on non-expanded input polynomials).  An application is illustrated in
1398 the next example, where a multivariate polynomial is analyzed:
1399
1400 @example
1401 #include <ginac/ginac.h>
1402 using namespace GiNaC;
1403
1404 int main()
1405 @{
1406     symbol x("x"), y("y");
1407     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
1408                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
1409     ex Poly = PolyInp.expand();
1410     
1411     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
1412         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
1413              << Poly.coeff(x,i) << endl;
1414     @}
1415     cout << "As polynomial in y: " 
1416          << Poly.collect(y) << endl;
1417     // ...
1418 @}
1419 @end example
1420
1421 When run, it returns an output in the following fashion:
1422
1423 @example
1424 The x^0-coefficient is y^2+11*y
1425 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
1426 The x^2-coefficient is -1
1427 The x^3-coefficient is 4*y
1428 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
1429 @end example
1430
1431 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
1432 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
1433 within the user's sphere of influence.
1434
1435
1436 @node Polynomial Arithmetic, Symbolic Differentiation, Collecting expressions, Important Algorithms
1437 @c    node-name, next, previous, up
1438 @section Polynomial Arithmetic
1439
1440 @subsection GCD and LCM
1441 @cindex GCD
1442 @cindex LCM
1443
1444 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
1445 multiple have the synopsis:
1446
1447 @example
1448 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
1449 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
1450 @end example
1451
1452 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
1453 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
1454 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
1455 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
1456 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
1457
1458 @example
1459 #include <ginac/ginac.h>
1460 using namespace GiNaC;
1461
1462 int main()
1463 @{
1464     symbol x("x"), y("y"), z("z");
1465     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
1466     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
1467
1468     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
1469     // x + 5*y + 4*z
1470     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
1471     // 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
1472     // ...
1473 @}
1474 @end example
1475
1476 @subsection The @code{normal} method
1477 @cindex @code{normal()}
1478 @cindex temporary replacement
1479
1480 While in common symbolic code @code{gcd()} and @code{lcm()} are not too
1481 heavily used, simplification is called for frequently.  Therefore
1482 @code{.normal()}, which provides some basic form of simplification, has
1483 become a method of class @code{ex}, just like @code{.expand()}.  It
1484 converts a rational function into an equivalent rational function where
1485 numerator and denominator are coprime.  This means, it finds the GCD of
1486 numerator and denominator and cancels it.  If it encounters some object
1487 which does not belong to the domain of rationals (a function for
1488 instance), that object is replaced by a temporary symbol.  This means
1489 that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed simplified in
1490 this little program:
1491
1492 @example
1493 #include <ginac/ginac.h>
1494 using namespace GiNaC;
1495
1496 int main()
1497 @{
1498     symbol x("x");
1499     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
1500     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
1501     cout << "t1 is " << t1.normal() << endl;
1502     cout << "t2 is " << t2.normal() << endl;
1503     // ...
1504 @}
1505 @end example
1506
1507 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
1508 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
1509 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
1510
1511
1512 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Polynomial Arithmetic, Important Algorithms
1513 @c    node-name, next, previous, up
1514 @section Symbolic Differentiation
1515 @cindex differentiation
1516 @cindex @code{diff()}
1517 @cindex chain rule
1518 @cindex product rule
1519
1520 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
1521 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
1522 the derivatives of all the monomials:
1523
1524 @example
1525 #include <ginac/ginac.h>
1526 using namespace GiNaC;
1527
1528 int main()
1529 @{
1530     symbol x("x"), y("y"), z("z");
1531     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
1532
1533     cout << P.diff(x,2) << endl;  // 20*x^3 + 2
1534     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
1535     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
1536     // ...
1537 @}
1538 @end example
1539
1540 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
1541 returns the @var{n}th derivative.
1542
1543 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
1544 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
1545 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
1546 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
1547 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
1548 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
1549 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
1550 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
1551 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
1552 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
1553 lines:
1554
1555 @cindex Euler numbers
1556 @example
1557 #include <ginac/ginac.h>
1558 using namespace GiNaC;
1559
1560 ex EulerNumber(unsigned n)
1561 @{
1562     symbol x;
1563     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
1564     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
1565 @}
1566
1567 int main()
1568 @{
1569     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
1570         cout << EulerNumber(i) << endl;
1571     return 0;
1572 @}
1573 @end example
1574
1575 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
1576 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
1577 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
1578
1579
1580 @node Series Expansion, Extending GiNaC, Symbolic Differentiation, Important Algorithms
1581 @c    node-name, next, previous, up
1582 @section Series Expansion
1583 @cindex @code{series()}
1584 @cindex Taylor expansion
1585 @cindex Laurent expansion
1586 @cindex @code{pseries} (class)
1587
1588 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
1589 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
1590 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
1591 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
1592 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
1593 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
1594 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
1595 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
1596 term).  A sample application from special relativity could read:
1597
1598 @example
1599 #include <ginac/ginac.h>
1600 using namespace GiNaC;
1601
1602 int main()
1603 @{
1604     symbol v("v"), c("c");
1605     
1606     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
1607     ex mass_nonrel = gamma.series(v, 0, 10);
1608     
1609     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
1610          << mass_nonrel << endl;
1611     
1612     cout << "the inverse square of this series is " << endl
1613          << pow(mass_nonrel,-2).series(v, 0, 10) << endl;
1614     
1615     // ...
1616 @}
1617 @end example
1618
1619 Only calling the series method makes the last output simplify to
1620 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
1621 series raised to the power @math{-2}.
1622
1623 @cindex M@'echain's formula
1624 As another instructive application, let us calculate the numerical 
1625 value of Archimedes' constant
1626 @tex
1627 $\pi$
1628 @end tex
1629 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
1630 using M@'echain's amazing formula
1631 @tex
1632 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
1633 @end tex
1634 @ifnottex
1635 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
1636 @end ifnottex
1637 We may expand the arcus tangent around @code{0} and insert the fractions
1638 @code{1/5} and @code{1/239}.  But, as we have seen, a series in GiNaC
1639 carries an order term with it and the question arises what the system is
1640 supposed to do when the fractions are plugged into that order term.  The
1641 solution is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip
1642 the order term off:
1643
1644 @example
1645 #include <ginac/ginac.h>
1646 using namespace GiNaC;
1647
1648 ex mechain_pi(int degr)
1649 @{
1650     symbol x;
1651     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,0,degr));
1652     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
1653                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
1654     return pi_approx;
1655 @}
1656
1657 int main()
1658 @{
1659     ex pi_frac;
1660     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
1661         pi_frac = mechain_pi(i);
1662         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
1663              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
1664     @}
1665     return 0;
1666 @}
1667 @end example
1668
1669 When you run this program, it will type out:
1670
1671 @example
1672 2:      3804/1195
1673         3.1832635983263598326
1674 4:      5359397032/1706489875
1675         3.1405970293260603143
1676 6:      38279241713339684/12184551018734375
1677         3.141621029325034425
1678 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
1679         3.141591772182177295
1680 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
1681         3.1415926824043995174
1682 @end example
1683
1684
1685 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Series Expansion, Top
1686 @c    node-name, next, previous, up
1687 @chapter Extending GiNaC
1688
1689 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
1690 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
1691 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
1692 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
1693 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
1694 authors---they will happily incorporate them into future versions.
1695
1696 @menu
1697 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
1698 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
1699 @end menu
1700
1701
1702 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
1703 @c    node-name, next, previous, up
1704 @section What doesn't belong into GiNaC
1705
1706 @cindex @command{ginsh}
1707 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
1708 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
1709 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
1710 language.  There are no loops or conditional expressions in
1711 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
1712 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
1713 complete CAS with a language of its own, graphical capabilites and all
1714 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
1715 the future.
1716
1717 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
1718 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
1719 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
1720 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
1721 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
1722 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
1723 provided by @acronym{CLN} are much better suited.
1724
1725
1726 @node Symbolic functions, A Comparison With Other CAS, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
1727 @c    node-name, next, previous, up
1728 @section Symbolic functions
1729
1730 The easiest and most instructive way to start with is probably to
1731 implement your own function.  Objects of class @code{function} are
1732 inserted into the system via a kind of `registry'.  They get a serial
1733 number that is used internally to identify them but you usually need not
1734 worry about this.  What you have to care for are functions that are
1735 called when the user invokes certain methods.  These are usual
1736 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
1737 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
1738 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
1739 function that is called when one wishes to @code{eval} it.  It could
1740 look something like this:
1741
1742 @example
1743 static ex cos_eval_method(const ex & x)
1744 @{
1745     // if (!x%(2*Pi)) return 1
1746     // if (!x%Pi) return -1
1747     // if (!x%Pi/2) return 0
1748     // care for other cases...
1749     return cos(x).hold();
1750 @}
1751 @end example
1752
1753 @cindex @code{hold()}
1754 @cindex evaluation
1755 The last line returns @code{cos(x)} if we don't know what else to do and
1756 stops a potential recursive evaluation by saying @code{.hold()}, which
1757 sets a flag to the expression signaling that it has been evaluated.  We
1758 should also implement a method for numerical evaluation and since we are
1759 lazy we sweep the problem under the rug by calling someone else's
1760 function that does so, in this case the one in class @code{numeric}:
1761
1762 @example
1763 static ex cos_evalf(const ex & x)
1764 @{
1765     return cos(ex_to_numeric(x));
1766 @}
1767 @end example
1768
1769 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
1770 what the first derivative is (higher derivatives (@code{.diff(x,3)} for
1771 instance are then handled automatically by @code{basic::diff} and
1772 @code{ex::diff}):
1773
1774 @example
1775 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
1776 @{
1777     return -sin(x);
1778 @}
1779 @end example
1780
1781 @cindex product rule
1782 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
1783 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
1784 case the function has more than one parameter and its main application
1785 is for correct handling of the chain rule.  For Taylor expansion, it is
1786 enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
1787 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
1788 write another method for Laurent expansion around that point.
1789
1790 Now that all the ingrediences for @code{cos} have been set up, we need
1791 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
1792 going to descibe how it expands, please consult your preprocessor if you
1793 are curious:
1794
1795 @example
1796 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
1797                        evalf_func(cos_evalf).
1798                        derivative_func(cos_deriv));
1799 @end example
1800
1801 The first argument is the function's name used for calling it and for
1802 output.  The second binds the corresponding methods as options to this
1803 object.  Options are separated by a dot and can be given in an arbitrary
1804 order.  GiNaC functions understand several more options which are always
1805 specified as @code{.option(params)}, for example a method for series
1806 expansion @code{.series_func(cos_series)}.  Again, if no series
1807 expansion method is given, GiNaC defaults to simple Taylor expansion,
1808 which is correct if there are no poles involved as is the case for the
1809 @code{cos} function.  The way GiNaC handles poles in case there are any
1810 is best understood by studying one of the examples, like the Gamma
1811 function for instance.  (In essence the function first checks if there
1812 is a pole at the evaluation point and falls back to Taylor expansion if
1813 there isn't.  Then, the pole is regularized by some suitable
1814 transformation.)  Also, the new function needs to be declared somewhere.
1815 This may also be done by a convenient preprocessor macro:
1816
1817 @example
1818 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
1819 @end example
1820
1821 The suffix @code{_1P} stands for @emph{one parameter}.  Of course, this
1822 implementation of @code{cos} is very incomplete and lacks several safety
1823 mechanisms.  Please, have a look at the real implementation in GiNaC.
1824 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
1825 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes.  We
1826 have done our best to avoid macros where we can.)
1827
1828 That's it. May the source be with you!
1829
1830
1831 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Symbolic functions, Top
1832 @c    node-name, next, previous, up
1833 @chapter A Comparison With Other CAS
1834 @cindex advocacy
1835
1836 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
1837 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
1838 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
1839 disadvantages over these systems.
1840
1841 @menu
1842 * Advantages::                       Stengths of the GiNaC approach.
1843 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
1844 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
1845 @end menu
1846
1847 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
1848 @c    node-name, next, previous, up
1849 @section Advantages
1850
1851 GiNaC has several advantages over traditional Computer
1852 Algebra Systems, like 
1853
1854 @itemize @bullet
1855
1856 @item
1857 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
1858 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
1859 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
1860 in common C++, which is standardized.
1861
1862 @cindex STL
1863 @item
1864 structured data types: you can build up structured data types using
1865 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
1866 using unnamed lists of lists of lists.
1867
1868 @item
1869 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
1870 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
1871 nice for novice programmers, but dangerous.
1872     
1873 @item
1874 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
1875 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
1876 debuggers, visualization tools, documentation tools...
1877
1878 @item
1879 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
1880 separating interface and implementation.
1881
1882 @item
1883 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
1884 that it is free and available with source code.  And there are excellent
1885 C++-compilers for free, too.
1886     
1887 @item
1888 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
1889 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
1890 usually only extend on a high level by writing in the language defined
1891 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
1892 fix bugs in a traditional system.
1893
1894 @item
1895 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
1896 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
1897 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
1898 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
1899 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
1900 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
1901 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
1902 interactive interface to the @acronym{Cint} C++ interpreter has been put
1903 together (called @acronym{GiNaC-cint}) that allows an interactive
1904 scripting interface consistent with the C++ language.
1905
1906 @item
1907 seemless integration: it is somewhere between difficult and impossible
1908 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
1909 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
1910 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
1911 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
1912 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
1913 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
1914 system (i.e. @emph{Yacas}).
1915
1916 @item
1917 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
1918 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
1919 arbitrary precision arithmetics where double accuracy is sufficient?
1920 For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in speed with other
1921 CAS.
1922
1923 @end itemize
1924
1925
1926 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
1927 @c    node-name, next, previous, up
1928 @section Disadvantages
1929
1930 Of course it also has some disadvantages:
1931
1932 @itemize @bullet
1933
1934 @item
1935 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
1936 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
1937 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
1938 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
1939 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
1940 not planned for the near future).
1941
1942 @item
1943 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
1944 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
1945 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
1946 integer and arbitrary precision arithmetics) can be compiled only on
1947 systems with a recently new C++ compiler from the GNU Compiler
1948 Collection (@acronym{GCC}).@footnote{This is because CLN uses
1949 PROVIDE/REQUIRE like macros to let the compiler gather all static
1950 initializations, which works for GNU C++ only.}  GiNaC uses recent
1951 language features like explicit constructors, mutable members, RTTI,
1952 @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant literally.
1953 Recent @acronym{GCC} versions starting at 2.95, although itself not yet
1954 ANSI compliant, support all needed features.
1955     
1956 @end itemize
1957
1958
1959 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
1960 @c    node-name, next, previous, up
1961 @section Why C++?
1962
1963 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
1964 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
1965 possible), separation between interface and implementation is not
1966 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
1967 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
1968 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
1969 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
1970 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
1971 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
1972 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
1973 any other programming language.
1974
1975
1976 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
1977 @c    node-name, next, previous, up
1978 @appendix Internal Structures
1979
1980 @menu
1981 * Expressions are reference counted::
1982 * Internal representation of products and sums::
1983 @end menu
1984
1985 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
1986 @c    node-name, next, previous, up
1987 @appendixsection Expressions are reference counted
1988
1989 @cindex reference counting
1990 @cindex copy-on-write
1991 @cindex garbage collection
1992 An expression is extremely light-weight since internally it works like a
1993 handle to the actual representation and really holds nothing more than a
1994 pointer to some other object. What this means in practice is that
1995 whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the first
1996 no copying process is involved. Instead, the copying takes place as soon
1997 as you try to change the second.  Consider the simple sequence of code:
1998
1999 @example
2000 #include <ginac/ginac.h>
2001 using namespace GiNaC;
2002
2003 int main()
2004 @{
2005     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2006     ex e1, e2;
2007
2008     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
2009     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
2010     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
2011     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
2012     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
2013     // ...
2014 @}
2015 @end example
2016
2017 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
2018 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
2019 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
2020 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
2021 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
2022 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
2023 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
2024 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
2025 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
2026 the object it points to too and deletes the object from memory if that
2027 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
2028 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
2029 can be:
2030
2031 @example
2032 #include <ginac/ginac.h>
2033 using namespace GiNaC;
2034
2035 int main()
2036 @{
2037     symbol x("x"), y("y");
2038
2039     ex e1 = x + 3*y;
2040     ex e2 = pow(e1, 3);
2041     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
2042     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
2043          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
2044          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
2045     // ...
2046 @}
2047 @end example
2048
2049 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
2050 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
2051 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
2052 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
2053 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
2054 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
2055 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
2056 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
2057 @code{3*e1^2}.
2058
2059 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
2060 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
2061 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
2062 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
2063 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
2064 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
2065 semantics, we recommend you have a look at the
2066 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
2067 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
2068 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
2069
2070
2071 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
2072 @c    node-name, next, previous, up
2073 @appendixsection Internal representation of products and sums
2074
2075 @cindex representation
2076 @cindex @code{add}
2077 @cindex @code{mul}
2078 @cindex @code{power}
2079 Although it should be completely transparent for the user of
2080 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
2081 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
2082 unexpanded symbolic expression 
2083 @tex
2084 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
2085 @end tex
2086 @ifnottex
2087 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
2088 @end ifnottex
2089 which could naively be represented by a tree of linear containers for
2090 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
2091 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
2092 fashion:
2093
2094 @image{repnaive}
2095
2096 @cindex pair-wise representation
2097 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
2098 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
2099 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
2100 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
2101 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
2102 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
2103 becomes much more flat:
2104
2105 @image{reppair}
2106
2107 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
2108 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
2109 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
2110 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
2111 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
2112 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
2113 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
2114 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
2115 representation, however, since they are still carrying a trivial
2116 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
2117 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
2118 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
2119 representation for
2120 @tex
2121 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
2122 @end tex
2123 @ifnottex
2124 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
2125 @end ifnottex
2126
2127 @image{repreal}
2128
2129 @cindex radical
2130 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
2131 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
2132 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
2133 same abstract class: the data representation is the same, only the
2134 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
2135 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
2136 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
2137
2138
2139 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
2140 @c    node-name, next, previous, up
2141 @appendix Package Tools
2142
2143 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
2144 setting the correct command line options for the compiler and linker
2145 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
2146
2147 @menu
2148 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
2149 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
2150 @end menu
2151
2152
2153 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
2154 @c    node-name, next, previous, up
2155 @section @command{ginac-config}
2156 @cindex ginac-config
2157
2158 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
2159 the compiler and linker command line options required to compile and
2160 link a program with the GiNaC library.
2161
2162 @command{ginac-config} takes the following flags:
2163
2164 @table @samp
2165 @item --version
2166 Prints out the version of GiNaC installed.
2167 @item --cppflags
2168 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
2169 @item --libs
2170 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
2171 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
2172 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
2173 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
2174 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
2175 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
2176 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
2177 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
2178 @end table
2179
2180 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
2181 script, as described below. It, however, can also be used directly from
2182 the command line using backquotes to compile a simple program. For
2183 example:
2184
2185 @example
2186 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
2187 @end example
2188
2189 This command line might expand to (for example):
2190
2191 @example
2192 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
2193   -lginac -lcln -lstdc++
2194 @end example
2195
2196 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
2197 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
2198
2199
2200 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
2201 @c    node-name, next, previous, up
2202 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
2203 @cindex AM_PATH_GINAC
2204
2205 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
2206 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
2207
2208 @example
2209 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
2210 @end example
2211
2212 This macro:
2213
2214 @itemize @bullet
2215
2216 @item
2217 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
2218 either found in the user's path, or from the environment variable
2219 @env{GINACLIB_CONFIG}.
2220
2221 @item
2222 Tests the installed libraries to make sure that their version
2223 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
2224 if not specified)
2225
2226 @item
2227 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
2228 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
2229 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
2230 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
2231 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
2232
2233 @item
2234 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
2235 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
2236
2237 @end itemize
2238
2239 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
2240 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
2241 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
2242 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
2243 aclocal the @samp{-I} option when running it.
2244
2245 @menu
2246 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
2247 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
2248 @end menu
2249
2250
2251 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
2252 @c    node-name, next, previous, up
2253 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
2254
2255 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
2256 the configure script.
2257
2258 Notes:
2259
2260 @itemize @bullet
2261
2262 @item
2263 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
2264 to be found by your system's dynamic linker.
2265   
2266 This is generally done by
2267
2268 @display
2269 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
2270 @end display
2271
2272 or by
2273    
2274 @display
2275 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
2276 @end display
2277
2278 or, as a last resort, 
2279  
2280 @display
2281 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
2282 running configure, for instance:
2283
2284 @example
2285 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
2286 @end example
2287 @end display
2288
2289 @item
2290 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
2291 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
2292 name of the executable
2293
2294 @item
2295 If you move the GiNaC package from its installed location,
2296 you will either need to modify @command{ginac-config} script
2297 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
2298
2299 @end itemize
2300
2301 Advanced note:
2302
2303 @itemize @bullet
2304 @item
2305 configure flags
2306   
2307 @example
2308 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
2309 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
2310 @end example
2311
2312 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
2313 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
2314 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
2315 @end itemize
2316
2317
2318 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
2319 @c    node-name, next, previous, up
2320 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
2321
2322 The following shows how to build a simple package using automake
2323 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
2324
2325 @example
2326 #include <ginac/ginac.h>
2327 using namespace GiNaC;
2328
2329 int main(void)
2330 @{
2331     symbol x("x");
2332     ex a = sin(x); 
2333     cout << "Derivative of " << a << " is " << a.diff(x) << endl;
2334     return 0;
2335 @}
2336 @end example
2337
2338 You should first read the introductory portions of the automake
2339 Manual, if you are not already familiar with it.
2340
2341 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
2342 configure script:
2343
2344 @example
2345 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
2346 AC_INIT(simple.cpp)
2347 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
2348
2349 AC_PROG_CXX
2350 AC_PROG_INSTALL
2351 AC_LANG_CPLUSPLUS
2352
2353 AM_PATH_GINAC(0.4.0, [
2354   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
2355   CPPFLAGS="$CFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
2356 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
2357
2358 AC_OUTPUT(Makefile)
2359 @end example
2360
2361 The only command in this which is not standard for automake
2362 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
2363
2364 That command does the following:
2365
2366 @display
2367 If a GiNaC version greater than 0.4.0 is found, adds @env{$GINACLIB_LIBS} to 
2368 @env{$LIBS} and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, dies
2369 with the error message `need to have GiNaC installed'
2370 @end display
2371
2372 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
2373
2374 @example
2375 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
2376 bin_PROGRAMS = simple
2377 simple_SOURCES = simple.cpp
2378 @end example
2379
2380 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
2381 from a single sourcefile @file{simple.cpp}. Since every program
2382 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
2383 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
2384 want to specify them on a per-program basis: for instance by
2385 adding the lines:
2386
2387 @example
2388 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
2389 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
2390 @end example
2391
2392 to the @file{Makefile.am}.
2393
2394 To try this example out, create a new directory and add the three
2395 files above to it.
2396
2397 Now execute the following commands:
2398
2399 @example
2400 $ automake --add-missing
2401 $ aclocal
2402 $ autoconf
2403 @end example
2404
2405 You now have a package that can be built in the normal fashion
2406
2407 @example
2408 $ ./configure
2409 $ make
2410 $ make install
2411 @end example
2412
2413
2414 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
2415 @c    node-name, next, previous, up
2416 @appendix Bibliography
2417
2418 @itemize @minus{}
2419
2420 @item
2421 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
2422
2423 @item
2424 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
2425
2426 @item
2427 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
2428
2429 @item
2430 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
2431
2432 @item
2433 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
2434 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
2435
2436 @item
2437 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
2438 J.H. Davenport, Y. Siret, and E. Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
2439 Academic Press, London
2440
2441 @end itemize
2442
2443
2444 @node Concept Index, , Bibliography, Top
2445 @c    node-name, next, previous, up
2446 @unnumbered Concept Index
2447
2448 @printindex cp
2449
2450 @bye
2451