]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
241de6761f8ce1bc0528f6d86fddd4b288033a7e
[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) 1999-2002 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{} 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A Tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic Concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and Functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A Comparison With Other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal Structures::          Description of some internal structures.
89 * Package Tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept Index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A Tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2002 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 <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * Symbols::                      Symbolic objects.
678 * Numbers::                      Numerical objects.
679 * Constants::                    Pre-defined constants.
680 * Fundamental containers::       The power, add and mul classes.
681 * Lists::                        Lists of expressions.
682 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
683 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
684 * Matrices::                     Matrices.
685 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
686 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
687 @end menu
688
689
690 @node Expressions, The Class Hierarchy, Basic Concepts, Basic Concepts
691 @c    node-name, next, previous, up
692 @section Expressions
693 @cindex expression (class @code{ex})
694 @cindex @code{has()}
695
696 The most common class of objects a user deals with is the expression
697 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
698 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
699 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
700 little collection of valid expressions:
701
702 @example
703 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
704 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
705 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
706 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
707 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
708 @end example
709
710 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
711 contain other expressions thus creating a tree of expressions
712 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
713 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
714 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
715 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
716 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
717 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
718
719 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
720 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
721 @code{ex}.
722
723
724 @node The Class Hierarchy, Error handling, Expressions, Basic Concepts
725 @c    node-name, next, previous, up
726 @section The Class Hierarchy
727
728 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
729 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
730 helpers) are internally derived from one abstract base class called
731 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
732 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
733 containers of expressions and so on.
734
735 @cindex container
736 @cindex atom
737 To get an idea about what kinds of symbolic composits may be built we
738 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
739 some of the relations among the classes:
740
741 @image{classhierarchy}
742
743 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
744 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
745 duplication if two or more classes derived from them share certain
746 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
747 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
748 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
749 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
750 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
751 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
752 are stored in the different classes:
753
754 @cartouche
755 @multitable @columnfractions .22 .78
756 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
757 @item @code{constant} @tab Constants like 
758 @tex
759 $\pi$
760 @end tex
761 @ifnottex
762 @math{Pi}
763 @end ifnottex
764 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
765 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
766 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
767 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
768 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
769 @tex
770 $\sqrt{2}$
771 @end tex
772 @ifnottex
773 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
774 @end ifnottex
775 @dots{}
776 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
777 @item @code{function} @tab A symbolic function like @math{sin(2*x)}
778 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
779 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
780 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
781 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
782 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
783 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
784 @item @code{varidx} @tab Index with variance
785 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
786 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
787 @end multitable
788 @end cartouche
789
790
791 @node Error handling, Symbols, The Class Hierarchy, Basic Concepts
792 @c    node-name, next, previous, up
793 @section Error handling
794 @cindex exceptions
795 @cindex @code{pole_error} (class)
796
797 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
798 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
799 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
800 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
801 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
802 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
803 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
804 at a singularity.
805
806 The @code{pole_error} class has a member function
807
808 @example
809 int pole_error::degree(void) const;
810 @end example
811
812 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
813 logarithmic or the order is undefined).
814
815 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
816 the main program even if you don't want to do any special error handling.
817 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
818 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
819 usually only aborts the program without giving any information what went
820 wrong.
821
822 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
823 exceptions generated by GiNaC:
824
825 @example
826 #include <iostream>
827 #include <stdexcept>
828 #include <ginac/ginac.h>
829 using namespace std;
830 using namespace GiNaC;
831
832 int main(void)
833 @{
834     try @{
835         ...
836         // code using GiNaC
837         ...
838     @} catch (exception &p) @{
839         cerr << p.what() << endl;
840         return 1;
841     @}
842     return 0;
843 @}
844 @end example
845
846
847 @node Symbols, Numbers, Error handling, Basic Concepts
848 @c    node-name, next, previous, up
849 @section Symbols
850 @cindex @code{symbol} (class)
851 @cindex hierarchy of classes
852
853 @cindex atom
854 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
855 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
856 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
857 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
858 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
859 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
860 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
861 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
862 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
863 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
864 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
865 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
866 come across examples of such symbols later in this tutorial.
867
868 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
869 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
870 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
871 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
872 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
873 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
874 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
875 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
876 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
877 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
878
879 @cindex @code{subs()}
880 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
881 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
882 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
883 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
884
885
886 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
887 @c    node-name, next, previous, up
888 @section Numbers
889 @cindex @code{numeric} (class)
890
891 @cindex GMP
892 @cindex CLN
893 @cindex rational
894 @cindex fraction
895 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
896 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
897 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
898 In order to find out more about CLN's internals the reader is refered to
899 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
900 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
901 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
902 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
903 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
904 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
905 several useful things: First, it introduces the complex number field
906 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
907 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
908 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
909 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
910 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
911 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
912 calculation of some useful constants.
913
914 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
915 ways.  The following example shows the four most important constructors.
916 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
917 integers, construction from C-float and construction from a string:
918
919 @example
920 #include <iostream>
921 #include <ginac/ginac.h>
922 using namespace GiNaC;
923
924 int main()
925 @{
926     numeric two = 2;                      // exact integer 2
927     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
928     numeric e(2.71828);                   // floating point number
929     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
930     // Trott's constant in scientific notation:
931     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
932     
933     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
934     ...
935 @end example
936
937 @cindex @code{I}
938 @cindex complex numbers
939 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
940 name @code{I}:
941
942 @example
943     ...
944     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
945     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
946 @}
947 @end example
948
949 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
950 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
951 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
952 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
953 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
954 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
955 also.
956
957 @cindex @code{Digits}
958 @cindex accuracy
959 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
960 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
961 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
962 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
963 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
964 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
965 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
966 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
967 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
968 digits:
969
970 @example
971 #include <iostream>
972 #include <ginac/ginac.h>
973 using namespace std;
974 using namespace GiNaC;
975
976 void foo()
977 @{
978     numeric three(3.0), one(1.0);
979     numeric x = one/three;
980
981     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
982     cout << x << endl;
983     cout << Pi.evalf() << endl;
984 @}
985
986 int main()
987 @{
988     foo();
989     Digits = 60;
990     foo();
991     return 0;
992 @}
993 @end example
994
995 The above example prints the following output to screen:
996
997 @example
998 in 17 digits:
999 0.33333333333333333334
1000 3.1415926535897932385
1001 in 60 digits:
1002 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1003 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1004 @end example
1005
1006 @cindex rounding
1007 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1008 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1009 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1010 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1011 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1012 architectures with differnt word size, the above output might even
1013 differ with regard to actually computed digits.
1014
1015 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1016 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1017 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1018
1019 @subsection Tests on numbers
1020
1021 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1022 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1023 kind of information from them like asking whether that number is
1024 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1025 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1026 certain CLN functions.)
1027
1028 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1029 some multiple of its denominator and test what comes out:
1030
1031 @example
1032 #include <iostream>
1033 #include <ginac/ginac.h>
1034 using namespace std;
1035 using namespace GiNaC;
1036
1037 // some very important constants:
1038 const numeric twentyone(21);
1039 const numeric ten(10);
1040 const numeric five(5);
1041
1042 int main()
1043 @{
1044     numeric answer = twentyone;
1045
1046     answer /= five;
1047     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1048     answer *= ten;
1049     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1050 @}
1051 @end example
1052
1053 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1054 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1055 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1056 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1057 the result is automatically converted to a pure integer again.
1058 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1059 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1060 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1061 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1062 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1063 can be applied is listed in the following table.
1064
1065 @cartouche
1066 @multitable @columnfractions .30 .70
1067 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1068 @item @code{.is_zero()}
1069 @tab @dots{}equal to zero
1070 @item @code{.is_positive()}
1071 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1072 @item @code{.is_integer()}
1073 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1074 @item @code{.is_pos_integer()}
1075 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1076 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1077 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1078 @item @code{.is_even()}
1079 @tab @dots{}an even integer
1080 @item @code{.is_odd()}
1081 @tab @dots{}an odd integer
1082 @item @code{.is_prime()}
1083 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1084 @item @code{.is_rational()}
1085 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1086 @item @code{.is_real()}
1087 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1088 @item @code{.is_cinteger()}
1089 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1090 @item @code{.is_crational()}
1091 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1092 @end multitable
1093 @end cartouche
1094
1095
1096 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1097 @c    node-name, next, previous, up
1098 @section Constants
1099 @cindex @code{constant} (class)
1100
1101 @cindex @code{Pi}
1102 @cindex @code{Catalan}
1103 @cindex @code{Euler}
1104 @cindex @code{evalf()}
1105 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1106 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1107
1108 The predefined known constants are:
1109
1110 @cartouche
1111 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1112 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1113 @item @code{Pi}
1114 @tab Archimedes' constant
1115 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1116 @item @code{Catalan}
1117 @tab Catalan's constant
1118 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1119 @item @code{Euler}
1120 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1121 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1122 @end multitable
1123 @end cartouche
1124
1125
1126 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1127 @c    node-name, next, previous, up
1128 @section Fundamental containers: the @code{power}, @code{add} and @code{mul} classes
1129 @cindex polynomial
1130 @cindex @code{add}
1131 @cindex @code{mul}
1132 @cindex @code{power}
1133
1134 Simple polynomial expressions are written down in GiNaC pretty much like
1135 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1136 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1137 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1138 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1139 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1140 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1141 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1142
1143 @example
1144     ...
1145     symbol a("a"), b("b");
1146     ex MyTerm = 1+a*b;
1147     ...
1148 @end example
1149
1150 @cindex @code{pow()}
1151 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1152 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1153 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1154 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1155 have several counterintuitive and undesired effects:
1156
1157 @itemize @bullet
1158 @item
1159 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1160 @item
1161 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1162 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1163 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1164 @item
1165 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1166 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1167 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1168 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1169 has requested @code{2^3}.)
1170 @end itemize
1171
1172 @cindex @command{ginsh}
1173 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1174 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1175 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1176 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1177 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1178 not exist at all in C++).
1179
1180 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1181 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1182 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1183 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1184 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1185 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1186 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1187 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1188 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1189 @code{x} negative.
1190
1191 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1192 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1193 and safe simplifications are carried out like transforming
1194 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1195
1196 The general rule is that when you construct such objects, GiNaC
1197 automatically creates them in canonical form, which might differ from
1198 the form you typed in your program.  This allows for rapid comparison of
1199 expressions, since after all @code{a-a} is simply zero.  Note, that the
1200 canonical form is not necessarily lexicographical ordering or in any way
1201 easily guessable.  It is only guaranteed that constructing the same
1202 expression twice, either implicitly or explicitly, results in the same
1203 canonical form.
1204
1205
1206 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1207 @c    node-name, next, previous, up
1208 @section Lists of expressions
1209 @cindex @code{lst} (class)
1210 @cindex lists
1211 @cindex @code{nops()}
1212 @cindex @code{op()}
1213 @cindex @code{append()}
1214 @cindex @code{prepend()}
1215 @cindex @code{remove_first()}
1216 @cindex @code{remove_last()}
1217
1218 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1219 expressions. These are sometimes used to supply a variable number of
1220 arguments of the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and
1221 @code{to_rational()}, so you should have a basic understanding about them.
1222
1223 Lists of up to 16 expressions can be directly constructed from single
1224 expressions:
1225
1226 @example
1227 @{
1228     symbol x("x"), y("y");
1229     lst l(x, 2, y, x+y);
1230     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1231     // ...
1232 @end example
1233
1234 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1235 a list and the @code{op()} method to access individual elements:
1236
1237 @example
1238     // ...
1239     cout << l.nops() << endl;                   // prints '4'
1240     cout << l.op(2) << " " << l.op(0) << endl;  // prints 'y x'
1241     // ...
1242 @end example
1243
1244 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1245 and @code{prepend()} methods:
1246
1247 @example
1248     // ...
1249     l.append(4*x);   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1250     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 2, y, x+y, 4*x@}
1251     // ...
1252 @end example
1253
1254 Finally you can remove the first or last element of a list with
1255 @code{remove_first()} and @code{remove_last()}:
1256
1257 @example
1258     // ...
1259     l.remove_first();   // l is now @{x, 2, y, x+y, 4*x@}
1260     l.remove_last();    // l is now @{x, 2, y, x+y@}
1261 @}
1262 @end example
1263
1264
1265 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1266 @c    node-name, next, previous, up
1267 @section Mathematical functions
1268 @cindex @code{function} (class)
1269 @cindex trigonometric function
1270 @cindex hyperbolic function
1271
1272 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1273 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1274 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1275
1276 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1277 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1278 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1279 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1280 the next example, showing how a function returns itself twice and
1281 finally an expression that may be really useful:
1282
1283 @cindex Gamma function
1284 @cindex @code{subs()}
1285 @example
1286     ...
1287     symbol x("x"), y("y");    
1288     ex foo = x+y/2;
1289     cout << tgamma(foo) << endl;
1290      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1291     ex bar = foo.subs(y==1);
1292     cout << tgamma(bar) << endl;
1293      // -> tgamma(x+1/2)
1294     ex foobar = bar.subs(x==7);
1295     cout << tgamma(foobar) << endl;
1296      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1297     ...
1298 @end example
1299
1300 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1301 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1302 this.
1303
1304 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1305 functions, where the argument list is templated.  This means that
1306 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1307 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1308 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1309 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1310 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1311 point number of class @code{numeric} you should call
1312 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1313 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1314 wrapped inside an @code{ex}.
1315
1316
1317 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1318 @c    node-name, next, previous, up
1319 @section Relations
1320 @cindex @code{relational} (class)
1321
1322 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1323 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1324 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1325 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1326 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1327 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1328
1329 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1330 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1331 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1332 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1333 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1334 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1335 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1336 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1337 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1338 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1339 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1340 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1341 @code{expand()} must be called explicitly.
1342
1343
1344 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1345 @c    node-name, next, previous, up
1346 @section Matrices
1347 @cindex @code{matrix} (class)
1348
1349 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1350 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1351 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1352 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1353
1354 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1355 elements:
1356
1357 @example
1358 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1359 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1360 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1361 ex diag_matrix(const lst & l);
1362 @end example
1363
1364 The first two functions are @code{matrix} constructors which create a matrix
1365 with @samp{r} rows and @samp{c} columns. The matrix elements can be
1366 initialized from a (flat) list of expressions @samp{l}. Otherwise they are
1367 all set to zero. The @code{lst_to_matrix()} function constructs a matrix
1368 from a list of lists, each list representing a matrix row. Finally,
1369 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1370 elements. Note that the last two functions return expressions, not matrix
1371 objects.
1372
1373 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1374 operator:
1375
1376 @example
1377 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1378 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1379 @end example
1380
1381 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1382 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1383 @samp{[]} is not available.
1384
1385 Here are a couple of examples that all construct the same 2x2 diagonal
1386 matrix:
1387
1388 @example
1389 @{
1390     symbol a("a"), b("b");
1391     ex e;
1392
1393     matrix M(2, 2);
1394     M(0, 0) = a;
1395     M(1, 1) = b;
1396     e = M;
1397
1398     e = matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b));
1399
1400     e = lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b)));
1401
1402     e = diag_matrix(lst(a, b));
1403
1404     cout << e << endl;
1405      // -> [[a,0],[0,b]]
1406 @}
1407 @end example
1408
1409 @cindex @code{transpose()}
1410 @cindex @code{inverse()}
1411 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1412 efficient one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1413
1414 @example
1415 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1416 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1417 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1418 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1419 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1420 matrix matrix::transpose(void) const;
1421 matrix matrix::inverse(void) const;
1422 @end example
1423
1424 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1425 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1426 and @math{C}:
1427
1428 @example
1429 @{
1430     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4));
1431     matrix B(2, 2, lst(-1, 0, 2, 1));
1432     matrix C(2, 2, lst(8, 4, 2, 1));
1433
1434     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1435     cout << result << endl;
1436      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1437     ...
1438 @}
1439 @end example
1440
1441 @cindex @code{evalm()}
1442 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1443 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1444 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1445 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1446 method
1447
1448 @example
1449 ex ex::evalm() const;
1450 @end example
1451
1452 to obtain the result:
1453
1454 @example
1455 @{
1456     ...
1457     ex e = A*B - 2*C;
1458     cout << e << endl;
1459      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1460     cout << e.evalm() << endl;
1461      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1462     ...
1463 @}
1464 @end example
1465
1466 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1467 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1468 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1469 dealing with non-commutative expressions.
1470
1471 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1472 to perform the arithmetic:
1473
1474 @example
1475 @{
1476     ...
1477     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1478     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1479     cout << e << endl;
1480      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1481     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1482      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1483 @}
1484 @end example
1485
1486 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1487 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1488 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1489 more information about using matrices with indices, and about indices in
1490 general.
1491
1492 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1493 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1494
1495 @example
1496 ex matrix::determinant(unsigned algo = determinant_algo::automatic) const;
1497 ex matrix::trace(void) const;
1498 ex matrix::charpoly(const symbol & lambda) const;
1499 @end example
1500
1501 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select between
1502 different algorithms for calculating the determinant. The possible values
1503 are defined in the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a
1504 heuristic to automatically select an algorithm that is likely to give the
1505 result most quickly.
1506
1507
1508 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1509 @c    node-name, next, previous, up
1510 @section Indexed objects
1511
1512 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1513 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1514 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1515 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1516
1517 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1518 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1519 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1520 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1521
1522 @cindex @code{idx} (class)
1523 @cindex @code{indexed} (class)
1524 @subsection Indexed quantities and their indices
1525
1526 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1527 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1528
1529 @itemize @bullet
1530
1531 @cindex contravariant
1532 @cindex covariant
1533 @cindex variance
1534 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1535 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1536 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1537 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1538 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1539 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1540
1541 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1542 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1543 one or more indices.
1544
1545 @end itemize
1546
1547 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1548 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1549 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1550 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1551 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1552 not visible in the output.
1553
1554 A simple example shall illustrate the concepts:
1555
1556 @example
1557 #include <iostream>
1558 #include <ginac/ginac.h>
1559 using namespace std;
1560 using namespace GiNaC;
1561
1562 int main()
1563 @{
1564     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1565     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1566
1567     symbol A("A");
1568     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1569      // -> A.i.j
1570     ...
1571 @end example
1572
1573 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1574 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1575 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1576 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1577 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1578 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1579 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1580 @code{j}.
1581
1582 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1583 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1584 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1585 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1586 correct and will raise an exception:
1587
1588 @example
1589 symbol i("i"), j("j");
1590 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1591 @end example
1592
1593 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1594 be numeric, and index dimensions symbolic:
1595
1596 @example
1597     ...
1598     symbol B("B"), dim("dim");
1599     cout << 4 * indexed(A, i)
1600           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1601      // -> B.j.2.i+4*A.i
1602     ...
1603 @end example
1604
1605 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1606 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1607 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1608 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1609 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1610
1611 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1612 arbitrary expressions:
1613
1614 @example
1615     ...
1616     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1617      // -> (B+A).(1+2*i)
1618     ...
1619 @end example
1620
1621 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1622 get an error message from this but you will probably not be able to do
1623 anything useful with it.
1624
1625 @cindex @code{get_value()}
1626 @cindex @code{get_dimension()}
1627 The methods
1628
1629 @example
1630 ex idx::get_value(void);
1631 ex idx::get_dimension(void);
1632 @end example
1633
1634 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1635 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1636 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1637 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1638
1639 There are also the methods
1640
1641 @example
1642 bool idx::is_numeric(void);
1643 bool idx::is_symbolic(void);
1644 bool idx::is_dim_numeric(void);
1645 bool idx::is_dim_symbolic(void);
1646 @end example
1647
1648 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1649 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1650 About Expressions}) returns information about the index value.
1651
1652 @cindex @code{varidx} (class)
1653 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1654
1655 @example
1656     ...
1657     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1658     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1659     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1660
1661     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1662      // -> A~mu~nu
1663     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1664      // -> A.mu~nu
1665     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1666      // -> A.mu~nu
1667     ...
1668 @end example
1669
1670 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1671 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1672 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1673 constructor. The two methods
1674
1675 @example
1676 bool varidx::is_covariant(void);
1677 bool varidx::is_contravariant(void);
1678 @end example
1679
1680 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1681 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1682 method
1683
1684 @example
1685 ex varidx::toggle_variance(void);
1686 @end example
1687
1688 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1689 variance. By using it you only have to define the index once.
1690
1691 @cindex @code{spinidx} (class)
1692 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1693 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1694
1695 @example
1696     ...
1697     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1698     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1699                                             // contravariant, undotted
1700     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1701     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1702     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1703
1704     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1705      // -> K~C~D
1706     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
1707      // -> K.C~*D
1708     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
1709      // -> K.*D~D
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
1714 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
1715 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
1716 methods
1717
1718 @example
1719 bool spinidx::is_dotted(void);
1720 bool spinidx::is_undotted(void);
1721 @end example
1722
1723 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
1724 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
1725 Finally, the two methods
1726
1727 @example
1728 ex spinidx::toggle_dot(void);
1729 ex spinidx::toggle_variance_dot(void);
1730 @end example
1731
1732 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
1733 and the same or opposite variance.
1734
1735 @subsection Substituting indices
1736
1737 @cindex @code{subs()}
1738 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
1739 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
1740 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
1741 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
1742
1743 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
1744 by another index or expression:
1745
1746 @example
1747     ...
1748     ex e = indexed(A, mu_co);
1749     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
1750      // -> A.mu becomes A~nu
1751     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
1752      // -> A.mu becomes A~0
1753     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
1754      // -> A.mu becomes A.0
1755     ...
1756 @end example
1757
1758 The third example shows that trying to replace an index with something that
1759 is not an index will substitute the index value instead.
1760
1761 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
1762 another expression:
1763
1764 @example
1765     ...
1766     ex e = indexed(A, mu_co);
1767     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
1768      // -> A.mu becomes A.nu
1769     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
1770      // -> A.mu becomes A.0
1771     ...
1772 @end example
1773
1774 As you see, with the second method only the value of the index will get
1775 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
1776 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
1777 whole index by another one with the new dimension.
1778
1779 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
1780 expected:
1781
1782 @example
1783     ...
1784     ex e = indexed(A, mu_co);
1785     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
1786      // -> A.mu becomes (B+A).mu
1787     ...
1788 @end example
1789
1790 @subsection Symmetries
1791 @cindex @code{symmetry} (class)
1792 @cindex @code{sy_none()}
1793 @cindex @code{sy_symm()}
1794 @cindex @code{sy_anti()}
1795 @cindex @code{sy_cycl()}
1796
1797 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
1798 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
1799 that is constructed with the helper functions
1800
1801 @example
1802 symmetry sy_none(...);
1803 symmetry sy_symm(...);
1804 symmetry sy_anti(...);
1805 symmetry sy_cycl(...);
1806 @end example
1807
1808 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
1809 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
1810 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
1811 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
1812 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
1813 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
1814 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
1815 all indices.
1816
1817 Here are some examples of symmetry definitions:
1818
1819 @example
1820     ...
1821     // No symmetry:
1822     e = indexed(A, i, j);
1823     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
1824     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
1825
1826     // Symmetric in all three indices:
1827     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
1828     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1829     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
1830                                                // different canonical order
1831
1832     // Symmetric in the first two indices only:
1833     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
1834     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
1835
1836     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
1837     // be contiguous):
1838     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
1839     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
1840
1841     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
1842     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
1843     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
1844     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
1845
1846     // Cyclic symmetry in all three indices:
1847     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
1848     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
1849
1850     // The following examples are invalid constructions that will throw
1851     // an exception at run time.
1852
1853     // An index may not appear multiple times:
1854     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
1855     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
1856
1857     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
1858     // same number of indices:
1859     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
1860
1861     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
1862     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
1863     ...
1864 @end example
1865
1866 If you need to specify more than four indices, you have to use the
1867 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
1868 full symmetry in the first six indices you would write
1869 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
1870
1871 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
1872 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
1873
1874 @example
1875     ...
1876     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
1877           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
1878      // -> 2*A.j.i
1879     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
1880           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
1881      // -> -B.j.i
1882     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
1883           + indexed(B, sy_anti(), j, i, k) << endl;
1884      // -> 0
1885     ...
1886 @end example
1887
1888 @cindex @code{get_free_indices()}
1889 @cindex Dummy index
1890 @subsection Dummy indices
1891
1892 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
1893 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
1894 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
1895 dummy nor free indices.
1896
1897 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
1898 class and dimension and their value must be the same single symbol (an index
1899 like @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
1900 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
1901 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
1902
1903 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
1904 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
1905 of a sum are consistent:
1906
1907 @example
1908 @{
1909     symbol A("A"), B("B"), C("C");
1910
1911     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
1912     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
1913
1914     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
1915     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1916      // -> (.i,.k)
1917      // 'j' and 'l' are dummy indices
1918
1919     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
1920     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
1921
1922     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
1923       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
1924     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1925      // -> (~mu,~rho)
1926      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
1927
1928     e = indexed(A, mu, mu);
1929     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
1930      // -> (~mu)
1931      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
1932      // variance
1933
1934     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
1935     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
1936      // this will throw an exception:
1937      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
1938 @}
1939 @end example
1940
1941 @cindex @code{simplify_indexed()}
1942 @subsection Simplifying indexed expressions
1943
1944 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
1945 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
1946 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
1947 there is the method
1948
1949 @example
1950 ex ex::simplify_indexed(void);
1951 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
1952 @end example
1953
1954 that performs some more expensive operations:
1955
1956 @itemize
1957 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
1958   @code{get_free_indices()} does
1959 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
1960   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
1961 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
1962   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
1963   next section)
1964 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
1965   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
1966 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
1967   of two tensors with a user-defined value
1968 @end itemize
1969
1970 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
1971 which is used to store scalar products with known values (this is not an
1972 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
1973
1974 @example
1975 @{
1976     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
1977     idx i(i_sym, 3);
1978
1979     scalar_products sp;
1980     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
1981     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
1982     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
1983
1984     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
1985     cout << e << endl;
1986      // -> (B+A).i*(A+C).i
1987
1988     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
1989          << endl;
1990      // -> 4+C.i*B.i
1991 @}
1992 @end example
1993
1994 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
1995 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
1996 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
1997 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
1998 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
1999 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2000 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2001 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2002
2003 @cindex @code{expand()}
2004 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2005 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2006 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2007
2008 @cindex @code{tensor} (class)
2009 @subsection Predefined tensors
2010
2011 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2012 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2013 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2014 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2015 indices are specified).
2016
2017 @cindex @code{delta_tensor()}
2018 @subsubsection Delta tensor
2019
2020 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2021 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2022 @code{delta_tensor()}:
2023
2024 @example
2025 @{
2026     symbol A("A"), B("B");
2027
2028     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2029         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2030
2031     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2032          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2033     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2034      // -> B.i.j*A.i.j
2035
2036     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2037      // -> 3
2038 @}
2039 @end example
2040
2041 @cindex @code{metric_tensor()}
2042 @subsubsection General metric tensor
2043
2044 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2045 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2046 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2047 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2048
2049 @example
2050 @{
2051     symbol A("A");
2052
2053     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2054
2055     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2056     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2057      // -> A~mu~rho
2058
2059     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2060     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2061      // -> g~mu~rho
2062
2063     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2064       * metric_tensor(nu, rho);
2065     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2066      // -> delta.mu~rho
2067
2068     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2069       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2070         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2071     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2072      // -> 4+A.rho~rho
2073 @}
2074 @end example
2075
2076 @cindex @code{lorentz_g()}
2077 @subsubsection Minkowski metric tensor
2078
2079 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2080 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2081 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2082 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2083 @samp{eta}):
2084
2085 @example
2086 @{
2087     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2088
2089     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2090       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2091     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2092      // -> 1
2093
2094     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2095       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2096     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2097      // -> -1
2098 @}
2099 @end example
2100
2101 @cindex @code{spinor_metric()}
2102 @subsubsection Spinor metric tensor
2103
2104 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2105 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2106 It is output as @samp{eps}:
2107
2108 @example
2109 @{
2110     symbol psi("psi");
2111
2112     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2113     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2114
2115     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2116     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2117      // -> psi~A
2118
2119     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2120     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2121      // -> -psi~B
2122
2123     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2124     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2125      // -> -psi.A
2126
2127     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2128     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2129      // -> psi.B
2130
2131     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2132     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2133      // -> 2
2134
2135     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2136     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2137      // -> -delta.A~C
2138 @}
2139 @end example
2140
2141 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2142
2143 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2144 @cindex @code{lorentz_eps()}
2145 @subsubsection Epsilon tensor
2146
2147 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2148 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2149 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2150 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2151 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2152 @samp{eps}.
2153
2154 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2155 dimensions:
2156
2157 @example
2158 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2159 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2160 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2161 @end example
2162
2163 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2164 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2165 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2166 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2167 tensor):
2168
2169 @example
2170 @{
2171     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2172            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2173     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2174         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2175     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2176      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2177
2178     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2179     symbol A("A"), B("B");
2180     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2181     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2182      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2183     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2184     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2185      // -> 0
2186 @}
2187 @end example
2188
2189 @subsection Linear algebra
2190
2191 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2192 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2193 and scalar products):
2194
2195 @example
2196 @{
2197     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2198     symbol x("x"), y("y");
2199
2200     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2201     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4)), X(2, 1, lst(x, y));
2202
2203     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2204      // -> 5
2205
2206     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2207     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2208      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2209
2210     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2211     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2212      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2213 @}
2214 @end example
2215
2216 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2217 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2218 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2219
2220 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2221 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2222 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2223 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2224
2225 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2226 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2227 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2228 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2229 of the metric tensor.
2230
2231
2232 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2233 @c    node-name, next, previous, up
2234 @section Non-commutative objects
2235
2236 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2237 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2238 physics:
2239
2240 @itemize
2241 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2242 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2243 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2244 @end itemize
2245
2246 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2247 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2248 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2249 @ref{Matrices}.
2250
2251 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2252 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2253 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2254 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2255 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2256 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2257 by their class. Consider this example:
2258
2259 @example
2260     ...
2261     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2262     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2263     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2264     cout << e << endl;
2265      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2266     ...
2267 @end example
2268
2269 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2270 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2271 together while preserving the order of factors within each class (because
2272 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2273 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2274 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2275 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2276
2277 @cindex @code{ncmul} (class)
2278 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2279 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2280 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2281 though.
2282
2283 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2284 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2285 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2286 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2287 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2288 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2289 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2290 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2291 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2292 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2293
2294 @cindex @code{return_type()}
2295 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2296 Information about the commutativity of an object or expression can be
2297 obtained with the two member functions
2298
2299 @example
2300 unsigned ex::return_type(void) const;
2301 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2302 @end example
2303
2304 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2305 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2306 expressions in GiNaC:
2307
2308 @itemize
2309 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2310   classes are of this kind.
2311 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2312   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2313   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2314   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2315   class.
2316 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2317   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2318   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2319   @code{noncommutative_composite} expressions.
2320 @end itemize
2321
2322 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2323 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2324 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2325 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2326
2327 Here are a couple of examples:
2328
2329 @cartouche
2330 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2331 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2332 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2333 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2334 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2335 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2336 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2337 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2338 @end multitable
2339 @end cartouche
2340
2341 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2342 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2343 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2344 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2345 for color objects.
2346
2347 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2348 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2349 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2350 non-commutative expressions).
2351
2352
2353 @cindex @code{clifford} (class)
2354 @subsection Clifford algebra
2355
2356 @cindex @code{dirac_gamma()}
2357 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2358 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2359 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2360 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2361
2362 @example
2363 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2364 @end example
2365
2366 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2367 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2368 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2369 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2370 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2371 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2372
2373 @cindex @code{dirac_ONE()}
2374 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2375
2376 @example
2377 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2378 @end example
2379
2380 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2381 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2382 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2383 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2384 GiNaC may produce incorrect results.
2385
2386 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2387 There's a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2388 gammas and in 4 dimensions equals @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3},
2389 provided by
2390
2391 @example
2392 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2393 @end example
2394
2395 @cindex @code{dirac_gamma6()}
2396 @cindex @code{dirac_gamma7()}
2397 The two additional functions
2398
2399 @example
2400 ex dirac_gamma6(unsigned char rl = 0);
2401 ex dirac_gamma7(unsigned char rl = 0);
2402 @end example
2403
2404 return @code{dirac_ONE(rl) + dirac_gamma5(rl)} and @code{dirac_ONE(rl) - dirac_gamma5(rl)},
2405 respectively.
2406
2407 @cindex @code{dirac_slash()}
2408 Finally, the function
2409
2410 @example
2411 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2412 @end example
2413
2414 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2415 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2416 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2417 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2418
2419 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2420 removed, squares are replaced by their values and @samp{gamma5} is
2421 anticommuted to the front. The @code{simplify_indexed()} function performs
2422 contractions in gamma strings, for example
2423
2424 @example
2425 @{
2426     ...
2427     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2428     varidx mu(symbol("mu"), D);
2429     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2430          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2431     cout << e << endl;
2432      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2433     e = e.simplify_indexed();
2434     cout << e << endl;
2435      // -> -D*a\+2*a\
2436     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2437      // -> -2*a\
2438     ...
2439 @}
2440 @end example
2441
2442 @cindex @code{dirac_trace()}
2443 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2444 you use the function
2445
2446 @example
2447 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2448 @end example
2449
2450 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2451 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2452 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2453 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2454 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2455 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2456 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2457 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2458 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2459
2460 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2461 @math{D != 4} dimensions:
2462
2463 @example
2464 @{
2465     // 4 dimensions
2466     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2467     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2468            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2469     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2470      // -> -8*eta~rho~nu
2471 @}
2472 ...
2473 @{
2474     // D dimensions
2475     symbol D("D");
2476     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2477     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2478            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2479     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2480      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2481 @}
2482 @end example
2483
2484 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2485 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2486 QED:
2487
2488 @example
2489 @{
2490     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2491     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2492
2493     scalar_products sp;
2494     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2495     sp.add(l, q, ldotq);
2496
2497     ex e = dirac_gamma(mu) *
2498            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2499            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2500            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2501     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2502     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2503     cout << e << endl;
2504      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2505 @}
2506 @end example
2507
2508 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2509 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2510 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2511
2512 @example
2513 @{
2514     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2515     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2516     cout << e << endl;
2517      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2518
2519     e = canonicalize_clifford(e);
2520     cout << e << endl;
2521      // -> 2*eta~mu~nu
2522 @}
2523 @end example
2524
2525
2526 @cindex @code{color} (class)
2527 @subsection Color algebra
2528
2529 @cindex @code{color_T()}
2530 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2531 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2532 elements @math{T_a} are constructed by the function
2533
2534 @example
2535 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2536 @end example
2537
2538 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2539 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2540 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2541 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2542 not @code{varidx}.
2543
2544 @cindex @code{color_ONE()}
2545 The unity element of a color algebra is constructed by
2546
2547 @example
2548 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2549 @end example
2550
2551 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2552 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2553 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2554 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2555 GiNaC may produce incorrect results.
2556
2557 @cindex @code{color_d()}
2558 @cindex @code{color_f()}
2559 The functions
2560
2561 @example
2562 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2563 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2564 @end example
2565
2566 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2567 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2568 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2569
2570 @cindex @code{color_h()}
2571 There's an additional function
2572
2573 @example
2574 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2575 @end example
2576
2577 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2578
2579 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2580 expressions containing color objects:
2581
2582 @example
2583 @{
2584     ...
2585     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2586         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2587
2588     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2589     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2590      // -> 0
2591
2592     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2593     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2594      // -> 5/3*delta.k.l
2595
2596     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2597     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2598      // -> 3*delta.k.l
2599
2600     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2601     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2602      // -> -32/3
2603
2604     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2605     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2606      // -> -2/3*T.a
2607
2608     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2609     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2610      // -> -8/9*ONE
2611
2612     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2613     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2614      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2615     ...
2616 @end example
2617
2618 @cindex @code{color_trace()}
2619 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2620 function
2621
2622 @example
2623 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2624 @end example
2625
2626 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2627 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2628 standing. For example:
2629
2630 @example
2631     ...
2632     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2633     cout << e << endl;
2634      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2635 @}
2636 @end example
2637
2638
2639 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2640 @c    node-name, next, previous, up
2641 @chapter Methods and Functions
2642 @cindex polynomial
2643
2644 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2645 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2646 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2647 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2648 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2649 example:
2650
2651 @example
2652     ...
2653     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2654     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2655     ...
2656 @end example
2657
2658 @cindex @code{subs()}
2659 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2660 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2661 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2662 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2663 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2664 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2665 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2666 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2667 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2668 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2669 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2670 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2671 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2672 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2673 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2674 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2675 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2676 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2677 avoided.
2678
2679 @menu
2680 * Information About Expressions::
2681 * Substituting Expressions::
2682 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2683 * Applying a Function on Subexpressions::
2684 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2685 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2686 * Symbolic Differentiation::
2687 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2688 * Symmetrization::
2689 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2690 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2691 @end menu
2692
2693
2694 @node Information About Expressions, Substituting Expressions, Methods and Functions, Methods and Functions
2695 @c    node-name, next, previous, up
2696 @section Getting information about expressions
2697
2698 @subsection Checking expression types
2699 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
2700 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
2701 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
2702 @cindex Converting @code{ex} to other classes
2703 @cindex @code{info()}
2704 @cindex @code{return_type()}
2705 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2706
2707 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
2708 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
2709 GiNaC provides a couple of functions for this:
2710
2711 @example
2712 bool is_a<T>(const ex & e);
2713 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
2714 bool ex::info(unsigned flag);
2715 unsigned ex::return_type(void) const;
2716 unsigned ex::return_type_tinfo(void) const;
2717 @end example
2718
2719 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
2720 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
2721 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
2722 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
2723
2724 @example
2725 @{
2726     @dots{}
2727     if (is_a<numeric>(e))
2728         numeric n = ex_to<numeric>(e);
2729     @dots{}
2730 @}
2731 @end example
2732
2733 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
2734 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
2735 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
2736 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
2737
2738 @example
2739 @{
2740     symbol x("x");
2741     ex e1 = 42;
2742     ex e2 = 4*x - 3;
2743     is_a<numeric>(e1);  // true
2744     is_a<numeric>(e2);  // false
2745     is_a<add>(e1);      // false
2746     is_a<add>(e2);      // true
2747     is_a<mul>(e1);      // false
2748     is_a<mul>(e2);      // false
2749 @}
2750 @end example
2751
2752 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
2753 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
2754 class @samp{T}, not including parent classes.
2755
2756 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
2757 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
2758 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
2759 table:
2760
2761 @cartouche
2762 @multitable @columnfractions .30 .70
2763 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
2764 @item @code{numeric}
2765 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
2766 @item @code{real}
2767 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
2768 @item @code{rational}
2769 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
2770 @item @code{integer}
2771 @tab @dots{}a (non-complex) integer
2772 @item @code{crational}
2773 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
2774 @item @code{cinteger}
2775 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
2776 @item @code{positive}
2777 @tab @dots{}not complex and greater than 0
2778 @item @code{negative}
2779 @tab @dots{}not complex and less than 0
2780 @item @code{nonnegative}
2781 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
2782 @item @code{posint}
2783 @tab @dots{}an integer greater than 0
2784 @item @code{negint}
2785 @tab @dots{}an integer less than 0
2786 @item @code{nonnegint}
2787 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
2788 @item @code{even}
2789 @tab @dots{}an even integer
2790 @item @code{odd}
2791 @tab @dots{}an odd integer
2792 @item @code{prime}
2793 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
2794 @item @code{relation}
2795 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
2796 @item @code{relation_equal}
2797 @tab @dots{}a @code{==} relation
2798 @item @code{relation_not_equal}
2799 @tab @dots{}a @code{!=} relation
2800 @item @code{relation_less}
2801 @tab @dots{}a @code{<} relation
2802 @item @code{relation_less_or_equal}
2803 @tab @dots{}a @code{<=} relation
2804 @item @code{relation_greater}
2805 @tab @dots{}a @code{>} relation
2806 @item @code{relation_greater_or_equal}
2807 @tab @dots{}a @code{>=} relation
2808 @item @code{symbol}
2809 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
2810 @item @code{list}
2811 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
2812 @item @code{polynomial}
2813 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
2814 @item @code{integer_polynomial}
2815 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
2816 @item @code{cinteger_polynomial}
2817 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
2818 @item @code{rational_polynomial}
2819 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
2820 @item @code{crational_polynomial}
2821 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
2822 @item @code{rational_function}
2823 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
2824 @item @code{algebraic}
2825 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
2826 @end multitable
2827 @end cartouche
2828
2829 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
2830 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
2831 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
2832 for an explanation of these.
2833
2834
2835 @subsection Accessing subexpressions
2836 @cindex @code{nops()}
2837 @cindex @code{op()}
2838 @cindex container
2839 @cindex @code{relational} (class)
2840
2841 GiNaC provides the two methods
2842
2843 @example
2844 unsigned ex::nops();
2845 ex ex::op(unsigned i);
2846 @end example
2847
2848 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
2849 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
2850 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
2851 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
2852 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
2853 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
2854 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
2855
2856 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
2857 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
2858
2859 @example
2860 ex ex::lhs();
2861 ex ex::rhs();
2862 @end example
2863
2864
2865 @subsection Comparing expressions
2866 @cindex @code{is_equal()}
2867 @cindex @code{is_zero()}
2868
2869 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
2870 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
2871 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
2872 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
2873 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
2874 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
2875 @code{false}.
2876
2877 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
2878 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
2879 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
2880
2881 There are also two methods
2882
2883 @example
2884 bool ex::is_equal(const ex & other);
2885 bool ex::is_zero();
2886 @end example
2887
2888 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
2889 respectively.
2890
2891 @strong{Warning:} You will also find an @code{ex::compare()} method in the
2892 GiNaC header files. This method is however only to be used internally by
2893 GiNaC to establish a canonical sort order for terms, and using it to compare
2894 expressions will give very surprising results.
2895
2896
2897 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Information About Expressions, Methods and Functions
2898 @c    node-name, next, previous, up
2899 @section Substituting expressions
2900 @cindex @code{subs()}
2901
2902 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
2903 expressions via the @code{.subs()} method:
2904
2905 @example
2906 ex ex::subs(const ex & e);
2907 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls);
2908 @end example
2909
2910 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
2911 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
2912
2913 @example
2914 @{
2915     symbol x("x"), y("y");
2916
2917     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
2918     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
2919      // -> 73
2920
2921     ex e2 = x*y + x;
2922     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
2923      // -> -10
2924 @}
2925 @end example
2926
2927 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
2928 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
2929
2930 The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
2931 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
2932 contain the same number of elements). Using this form, you would write
2933 @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))} to exchange @samp{x} and @samp{y}.
2934
2935 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
2936 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
2937 following example:
2938
2939 @example
2940 @{
2941     symbol x("x"), y("y"), z("z");
2942
2943     ex e1 = pow(x+y, 2);
2944     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
2945      // -> 16
2946
2947     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
2948     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
2949      // -> cos(x)^2*sin(y)
2950
2951     ex e3 = x+y+z;
2952     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
2953      // -> x+y+z
2954      // (and not 4+z as one might expect)
2955 @}
2956 @end example
2957
2958 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
2959 next section.
2960
2961
2962 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
2963 @c    node-name, next, previous, up
2964 @section Pattern matching and advanced substitutions
2965 @cindex @code{wildcard} (class)
2966 @cindex Pattern matching
2967
2968 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
2969 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
2970 substituting expressions in a more general way.
2971
2972 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
2973 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
2974 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
2975 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
2976 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
2977 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
2978 with the call
2979
2980 @example
2981 ex wild(unsigned label = 0);
2982 @end example
2983
2984 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
2985 name.
2986
2987 Some examples for patterns:
2988
2989 @multitable @columnfractions .5 .5
2990 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
2991 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
2992 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
2993 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
2994 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
2995 @end multitable
2996
2997 Notes:
2998
2999 @itemize
3000 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3001   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3002 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3003   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3004   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3005 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3006   possible to use them as placeholders for other properties like index
3007   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3008   etc.
3009 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3010   as part of noncommutative products.
3011 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3012   are also valid patterns.
3013 @end itemize
3014
3015 @cindex @code{match()}
3016 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3017 matches a given pattern. This is done by the function
3018
3019 @example
3020 bool ex::match(const ex & pattern);
3021 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3022 @end example
3023
3024 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3025 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3026 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3027 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3028 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3029 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3030 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3031 expressions by passing in the result of a previous match.
3032
3033 The matching algorithm works as follows:
3034
3035 @itemize
3036 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3037   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3038   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3039   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3040 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3041   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3042   etc.).
3043 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3044   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3045 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3046   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3047   of the pattern.
3048 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3049   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3050 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3051   match the corresponding subexpression of the pattern.
3052 @end itemize
3053
3054 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3055 account for their commutativity and associativity:
3056
3057 @itemize
3058 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3059   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3060   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3061   way.
3062 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3063   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3064   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3065   further matches.
3066 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3067   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3068   which case this wildcard matches the remaining terms.
3069 @end itemize
3070
3071 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3072 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3073 ambiguous results.
3074
3075 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3076 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3077 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3078
3079 @example
3080 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3081 @{@}
3082 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3083 FAIL
3084 > match((x+y)^a,$1^$2);
3085 @{$1==x+y,$2==a@}
3086 > match((x+y)^a,$1^$1);
3087 FAIL
3088 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3089 @{$1==x+y@}
3090 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3091 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3092 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3093 @{$1==a@}
3094 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3095 @{$1==c,$2==b@}
3096   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3097 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3098   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3099    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3100    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3101    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3102    fail.)
3103 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3104   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3105    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3106 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3107 FAIL
3108 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3109 @{$0==a+e+b+f+d@}
3110 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3111 @{$0==a+b+f+d@}
3112 > match(a+b,a+b+$0);
3113 @{$0==0@}
3114 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3115 FAIL
3116   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3117    even though a==a^1.)
3118 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3119 @{$0==x@}
3120 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3121 @{$0==x^2@}
3122 @end example
3123
3124 @cindex @code{has()}
3125 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3126 member function
3127
3128 @example
3129 bool ex::has(const ex & pattern);
3130 @end example
3131
3132 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3133 by any of its subexpressions.
3134
3135 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3136 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3137
3138 @example
3139 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3140 1
3141 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3142 0
3143   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3144    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3145 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3146 1
3147   (But this is possible.)
3148 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3149 0
3150   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3151    which "x+y" is not a subexpression.)
3152 > has(x+1,x^$1);
3153 0
3154   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3155    "x^something".)
3156 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3157 1
3158 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3159 0
3160   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3161    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3162    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3163 @end example
3164
3165 @cindex @code{find()}
3166 The method
3167
3168 @example
3169 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3170 @end example
3171
3172 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3173 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3174 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3175 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3176 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3177
3178 @example
3179 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3180 @{x@}
3181 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3182 @{@}
3183 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3184 @{x^3,x^2@}
3185   (Note the absence of "x".)
3186 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3187 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3188 > find(%,sin($1));
3189 @{sin(y),sin(x)@}
3190 @end example
3191
3192 @cindex @code{subs()}
3193 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3194 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3195 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3196 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3197 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3198
3199 Some examples:
3200
3201 @example
3202 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3203 b^3+a^3+(x+y)^3
3204 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3205 b^4+a^4+(x+y)^4
3206 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3207 (a+b+c)^2
3208 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3209 (x+c)^2
3210 > subs(a+2*b,a+b==x);
3211 a+2*b
3212 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3213 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3214 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3215 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3216 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3217 cos(1+cos(x))
3218 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3219 a+b
3220 @end example
3221
3222 The last example would be written in C++ in this way:
3223
3224 @example
3225 @{
3226     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3227     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3228     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3229     cout << e.expand() << endl;
3230      // -> a+b
3231 @}
3232 @end example
3233
3234
3235 @node Applying a Function on Subexpressions, Polynomial Arithmetic, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3236 @c    node-name, next, previous, up
3237 @section Applying a Function on Subexpressions
3238 @cindex Tree traversal
3239 @cindex @code{map()}
3240
3241 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3242 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3243 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3244 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3245 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3246 to do this manually which usually results in code like this:
3247
3248 @example
3249 ex calc_trace(ex e)
3250 @{
3251     if (is_a<matrix>(e))
3252         return ex_to<matrix>(e).trace();
3253     else if (is_a<add>(e)) @{
3254         ex sum = 0;
3255         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++)
3256             sum += calc_trace(e.op(i));
3257         return sum;
3258     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3259         ...
3260     @} else @{
3261         ...
3262     @}
3263 @}
3264 @end example
3265
3266 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3267 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3268 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3269 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3270 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3271
3272 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3273 operations:
3274
3275 @example
3276 ex ex::map(map_function & f) const;
3277 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3278 @end example
3279
3280 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3281 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3282 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3283 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3284 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3285 non-recursively.
3286
3287 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3288 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3289 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3290 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3291 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3292
3293 @example
3294 struct calc_trace : public map_function @{
3295     ex operator()(const ex &e)
3296     @{
3297         if (is_a<matrix>(e))
3298             return ex_to<matrix>(e).trace();
3299         else if (is_a<mul>(e)) @{
3300             ...
3301         @} else
3302             return e.map(*this);
3303     @}
3304 @};
3305 @end example
3306
3307 This function object could then be used like this:
3308
3309 @example
3310 @{
3311     ex M = ... // expression with matrices
3312     calc_trace do_trace;
3313     ex tr = do_trace(M);
3314 @}
3315 @end example
3316
3317 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3318 terms in a variable from an expanded polynomial:
3319
3320 @example
3321 struct map_rem_quad : public map_function @{
3322     ex var;
3323     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3324
3325     ex operator()(const ex & e)
3326     @{
3327         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3328             return e.map(*this);
3329         else if (is_a<power>(e) && 
3330                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3331             return 0;
3332         else
3333             return e;
3334     @}
3335 @};
3336
3337 ...
3338
3339 @{
3340     symbol x("x"), y("y");
3341
3342     ex e;
3343     for (int i=0; i<8; i++)
3344         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3345     cout << e << endl;
3346      // -> 4*y^5*x^3+5*y^4*x^4+8*y*x^7+7*y^2*x^6+2*y^7*x+6*y^3*x^5+3*y^6*x^2+y^8
3347
3348     map_rem_quad rem_quad(x);
3349     cout << rem_quad(e) << endl;
3350      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3351 @}
3352 @end example
3353
3354 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3355 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3356 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3357 acts as the placeholder for the operands:
3358
3359 @example
3360 > map(a*b,sin($0));
3361 sin(a)*sin(b)
3362 > map(a+2*b,sin($0));
3363 sin(a)+sin(2*b)
3364 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3365 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3366 @end example
3367
3368 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3369 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3370 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3371
3372 @example
3373 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3374 @{0,0,0@}
3375   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3376   to "map(@{a,b,c@},0)".
3377 @end example
3378
3379
3380 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3381 @c    node-name, next, previous, up
3382 @section Polynomial arithmetic
3383
3384 @subsection Expanding and collecting
3385 @cindex @code{expand()}
3386 @cindex @code{collect()}
3387
3388 A polynomial in one or more variables has many equivalent
3389 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
3390 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
3391 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
3392 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
3393 representations are the recursive ones where one collects for exponents
3394 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
3395 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
3396 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
3397 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
3398 x*z}.
3399
3400 To bring an expression into expanded form, its method
3401
3402 @example
3403 ex ex::expand();
3404 @end example
3405
3406 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
3407 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
3408 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
3409 orderings of terms in such sums!
3410
3411 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
3412 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
3413 being polynomials in the remaining variables.  The method
3414 @code{collect()} accomplishes this task:
3415
3416 @example
3417 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
3418 @end example
3419
3420 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
3421 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
3422 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
3423 by the @code{distributed} flag.
3424
3425 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
3426 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
3427 coefficients properly.
3428
3429 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
3430 together with @code{find()}:
3431
3432 @example
3433 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
3434 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
3435 > collect(a,@{p,q@});
3436 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
3437 > collect(a,find(a,sin($1)));
3438 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
3439 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
3440 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
3441 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
3442 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
3443 @end example
3444
3445 @subsection Degree and coefficients
3446 @cindex @code{degree()}
3447 @cindex @code{ldegree()}
3448 @cindex @code{coeff()}
3449
3450 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
3451 methods
3452
3453 @example
3454 int ex::degree(const ex & s);
3455 int ex::ldegree(const ex & s);
3456 @end example
3457
3458 These functions only work reliably if the input polynomial is collected in
3459 terms of the object @samp{s}. Otherwise, they are only guaranteed to return
3460 the upper/lower bounds of the exponents. If you need accurate results, you
3461 have to call @code{expand()} and/or @code{collect()} on the input polynomial.
3462 For example
3463
3464 @example
3465 > a=(x+1)^2-x^2;
3466 (1+x)^2-x^2;
3467 > degree(a,x);
3468 2
3469 > degree(expand(a),x);
3470 1
3471 @end example
3472
3473 @code{degree()} also works on rational functions, returning the asymptotic
3474 degree:
3475
3476 @example
3477 > degree((x+1)/(x^3+1),x);
3478 -2
3479 @end example
3480
3481 If the input is not a polynomial or rational function in the variable @samp{s},
3482 the behavior of @code{degree()} and @code{ldegree()} is undefined.
3483
3484 To extract a coefficient with a certain power from an expanded
3485 polynomial you use
3486
3487 @example
3488 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
3489 @end example
3490
3491 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
3492
3493 @example
3494 ex ex::lcoeff(const ex & s);
3495 ex ex::tcoeff(const ex & s);
3496 @end example
3497
3498 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
3499 respectively.
3500
3501 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
3502 polynomial is analyzed:
3503
3504 @example
3505 @{
3506     symbol x("x"), y("y");
3507     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
3508                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
3509     ex Poly = PolyInp.expand();
3510     
3511     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
3512         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
3513              << Poly.coeff(x,i) << endl;
3514     @}
3515     cout << "As polynomial in y: " 
3516          << Poly.collect(y) << endl;
3517 @}
3518 @end example
3519
3520 When run, it returns an output in the following fashion:
3521
3522 @example
3523 The x^0-coefficient is y^2+11*y
3524 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
3525 The x^2-coefficient is -1
3526 The x^3-coefficient is 4*y
3527 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
3528 @end example
3529
3530 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
3531 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
3532 within the user's sphere of influence.
3533
3534 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
3535 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
3536 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
3537 constants, functions and indexed objects as well:
3538
3539 @example
3540 @{
3541     symbol a("a"), b("b"), c("c");
3542     idx i(symbol("i"), 3);
3543
3544     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
3545     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
3546      // -> 4
3547     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
3548      // -> -4*cos(x)
3549
3550     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
3551     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
3552     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
3553      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
3554 @}
3555 @end example
3556
3557
3558 @subsection Polynomial division
3559 @cindex polynomial division
3560 @cindex quotient
3561 @cindex remainder
3562 @cindex pseudo-remainder
3563 @cindex @code{quo()}
3564 @cindex @code{rem()}
3565 @cindex @code{prem()}
3566 @cindex @code{divide()}
3567
3568 The two functions
3569
3570 @example
3571 ex quo(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3572 ex rem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3573 @end example
3574
3575 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
3576 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
3577
3578 The additional function
3579
3580 @example
3581 ex prem(const ex & a, const ex & b, const symbol & x);
3582 @end example
3583
3584 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
3585 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
3586
3587 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
3588
3589 @example
3590 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
3591 @end example
3592
3593 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
3594 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
3595 in which case the value of @code{q} is undefined.
3596
3597
3598 @subsection Unit, content and primitive part
3599 @cindex @code{unit()}
3600 @cindex @code{content()}
3601 @cindex @code{primpart()}
3602
3603 The methods
3604
3605 @example
3606 ex ex::unit(const symbol & x);
3607 ex ex::content(const symbol & x);
3608 ex ex::primpart(const symbol & x);
3609 @end example
3610
3611 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
3612 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
3613 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
3614 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
3615 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
3616 original polynomial.
3617
3618
3619 @subsection GCD and LCM
3620 @cindex GCD
3621 @cindex LCM
3622 @cindex @code{gcd()}
3623 @cindex @code{lcm()}
3624
3625 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
3626 multiple have the synopsis
3627
3628 @example
3629 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
3630 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
3631 @end example
3632
3633 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
3634 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
3635 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
3636 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
3637 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
3638
3639 @example
3640 #include <ginac/ginac.h>
3641 using namespace GiNaC;
3642
3643 int main()
3644 @{
3645     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3646     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
3647     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
3648
3649     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
3650     // x + 5*y + 4*z
3651     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
3652     // 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
3653 @}
3654 @end example
3655
3656
3657 @subsection Square-free decomposition
3658 @cindex square-free decomposition
3659 @cindex factorization
3660 @cindex @code{sqrfree()}
3661
3662 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
3663 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
3664 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
3665 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
3666 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
3667 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
3668 one, too:
3669 @example
3670 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
3671 @end example
3672 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
3673 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
3674 some care with subsequent processing of the result:
3675 @example
3676     ...
3677     symbol x("x"), y("y");
3678     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
3679
3680     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
3681      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
3682
3683     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
3684      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
3685
3686     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
3687      // -> depending on luck, any of the above
3688     ...
3689 @end example
3690 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
3691 with this method.
3692
3693
3694 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
3695 @c    node-name, next, previous, up
3696 @section Rational expressions
3697
3698 @subsection The @code{normal} method
3699 @cindex @code{normal()}
3700 @cindex simplification
3701 @cindex temporary replacement
3702
3703 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
3704 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
3705 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
3706 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
3707 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
3708 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
3709
3710 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
3711 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
3712 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
3713 functions before performing the normalization, and re-substituting these
3714 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
3715 @code{.to_rational()}, described below.
3716
3717 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
3718 simplified in this little code snippet:
3719
3720 @example
3721 @{
3722     symbol x("x");
3723     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
3724     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
3725     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
3726     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
3727 @}
3728 @end example
3729
3730 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
3731 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
3732 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
3733
3734
3735 @subsection Numerator and denominator
3736 @cindex numerator
3737 @cindex denominator
3738 @cindex @code{numer()}
3739 @cindex @code{denom()}
3740 @cindex @code{numer_denom()}
3741
3742 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
3743
3744 @example
3745 ex ex::numer();
3746 ex ex::denom();
3747 ex ex::numer_denom();
3748 @end example
3749
3750 These functions will first normalize the expression as described above and
3751 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
3752 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
3753 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
3754
3755
3756 @subsection Converting to a rational expression
3757 @cindex @code{to_rational()}
3758
3759 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
3760 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
3761 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
3762 above. You do this by calling
3763
3764 @example
3765 ex ex::to_rational(lst &l);
3766 @end example
3767
3768 on the expression to be converted. The supplied @code{lst} will be filled
3769 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in
3770 a format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
3771 already contain a list of replacements from an earlier application of
3772 @code{.to_rational()}, so it's possible to use it on multiple expressions
3773 and get consistent results.
3774
3775 For example,
3776
3777 @example
3778 @{
3779     symbol x("x");
3780     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
3781     ex b = sin(x) + cos(x);
3782     ex q;
3783     lst l;
3784     divide(a.to_rational(l), b.to_rational(l), q);
3785     cout << q.subs(l) << endl;
3786 @}
3787 @end example
3788
3789 will print @samp{sin(x)-cos(x)}.
3790
3791
3792 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
3793 @c    node-name, next, previous, up
3794 @section Symbolic differentiation
3795 @cindex differentiation
3796 @cindex @code{diff()}
3797 @cindex chain rule
3798 @cindex product rule
3799
3800 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
3801 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
3802 the derivatives of all the monomials:
3803
3804 @example
3805 @{
3806     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3807     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
3808
3809     cout << P.diff(x,2) << endl;
3810      // -> 20*x^3 + 2
3811     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
3812      // -> 1
3813     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
3814      // -> 0
3815 @}
3816 @end example
3817
3818 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
3819 returns the @var{n}th derivative.
3820
3821 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
3822 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
3823 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
3824 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
3825 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
3826 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
3827 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
3828 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
3829 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
3830 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
3831 lines:
3832
3833 @cindex Euler numbers
3834 @example
3835 #include <ginac/ginac.h>
3836 using namespace GiNaC;
3837
3838 ex EulerNumber(unsigned n)
3839 @{
3840     symbol x;
3841     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
3842     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
3843 @}
3844
3845 int main()
3846 @{
3847     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
3848         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
3849     return 0;
3850 @}
3851 @end example
3852
3853 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
3854 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
3855 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
3856
3857
3858 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
3859 @c    node-name, next, previous, up
3860 @section Series expansion
3861 @cindex @code{series()}
3862 @cindex Taylor expansion
3863 @cindex Laurent expansion
3864 @cindex @code{pseries} (class)
3865 @cindex @code{Order()}
3866
3867 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
3868 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
3869 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
3870 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
3871 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
3872 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
3873 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
3874 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
3875 term).  A sample application from special relativity could read:
3876
3877 @example
3878 #include <ginac/ginac.h>
3879 using namespace std;
3880 using namespace GiNaC;
3881
3882 int main()
3883 @{
3884     symbol v("v"), c("c");
3885     
3886     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
3887     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
3888     
3889     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
3890          << mass_nonrel << endl;
3891     
3892     cout << "the inverse square of this series is " << endl
3893          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
3894 @}
3895 @end example
3896
3897 Only calling the series method makes the last output simplify to
3898 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
3899 series raised to the power @math{-2}.
3900
3901 @cindex M@'echain's formula
3902 As another instructive application, let us calculate the numerical 
3903 value of Archimedes' constant
3904 @tex
3905 $\pi$
3906 @end tex
3907 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
3908 using M@'echain's amazing formula
3909 @tex
3910 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
3911 @end tex
3912 @ifnottex
3913 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
3914 @end ifnottex
3915 We may expand the arcus tangent around @code{0} and insert the fractions
3916 @code{1/5} and @code{1/239}.  But, as we have seen, a series in GiNaC
3917 carries an order term with it and the question arises what the system is
3918 supposed to do when the fractions are plugged into that order term.  The
3919 solution is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip
3920 the order term off:
3921
3922 @example
3923 #include <ginac/ginac.h>
3924 using namespace GiNaC;
3925
3926 ex mechain_pi(int degr)
3927 @{
3928     symbol x;
3929     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
3930     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
3931                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
3932     return pi_approx;
3933 @}
3934
3935 int main()
3936 @{
3937     using std::cout;  // just for fun, another way of...
3938     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
3939     ex pi_frac;
3940     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
3941         pi_frac = mechain_pi(i);
3942         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
3943              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
3944     @}
3945     return 0;
3946 @}
3947 @end example
3948
3949 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
3950 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
3951 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
3952 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
3953 program, it will type out:
3954
3955 @example
3956 2:      3804/1195
3957         3.1832635983263598326
3958 4:      5359397032/1706489875
3959         3.1405970293260603143
3960 6:      38279241713339684/12184551018734375
3961         3.141621029325034425
3962 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
3963         3.141591772182177295
3964 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
3965         3.1415926824043995174
3966 @end example
3967
3968
3969 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
3970 @c    node-name, next, previous, up
3971 @section Symmetrization
3972 @cindex @code{symmetrize()}
3973 @cindex @code{antisymmetrize()}
3974 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
3975
3976 The three methods
3977
3978 @example
3979 ex ex::symmetrize(const lst & l);
3980 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
3981 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
3982 @end example
3983
3984 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
3985 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
3986 weighted by the number of permutations.
3987
3988 The three additional methods
3989
3990 @example
3991 ex ex::symmetrize();
3992 ex ex::antisymmetrize();
3993 ex ex::symmetrize_cyclic();
3994 @end example
3995
3996 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
3997
3998 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
3999 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4000
4001 @example
4002 @{
4003     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4004     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4005                                            
4006     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4007      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4008     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4009      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4010     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4011      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4012 @}
4013 @end example
4014
4015
4016 @node Built-in Functions, Input/Output, Symmetrization, Methods and Functions
4017 @c    node-name, next, previous, up
4018 @section Predefined mathematical functions
4019
4020 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4021
4022 @cartouche
4023 @multitable @columnfractions .30 .70
4024 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4025 @item @code{abs(x)}
4026 @tab absolute value
4027 @cindex @code{abs()}
4028 @item @code{csgn(x)}
4029 @tab complex sign
4030 @cindex @code{csgn()}
4031 @item @code{sqrt(x)}
4032 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4033 @cindex @code{sqrt()}
4034 @item @code{sin(x)}
4035 @tab sine
4036 @cindex @code{sin()}
4037 @item @code{cos(x)}
4038 @tab cosine
4039 @cindex @code{cos()}
4040 @item @code{tan(x)}
4041 @tab tangent
4042 @cindex @code{tan()}
4043 @item @code{asin(x)}
4044 @tab inverse sine
4045 @cindex @code{asin()}
4046 @item @code{acos(x)}
4047 @tab inverse cosine
4048 @cindex @code{acos()}
4049 @item @code{atan(x)}
4050 @tab inverse tangent
4051 @cindex @code{atan()}
4052 @item @code{atan2(y, x)}
4053 @tab inverse tangent with two arguments
4054 @item @code{sinh(x)}
4055 @tab hyperbolic sine
4056 @cindex @code{sinh()}
4057 @item @code{cosh(x)}
4058 @tab hyperbolic cosine
4059 @cindex @code{cosh()}
4060 @item @code{tanh(x)}
4061 @tab hyperbolic tangent
4062 @cindex @code{tanh()}
4063 @item @code{asinh(x)}
4064 @tab inverse hyperbolic sine
4065 @cindex @code{asinh()}
4066 @item @code{acosh(x)}
4067 @tab inverse hyperbolic cosine
4068 @cindex @code{acosh()}
4069 @item @code{atanh(x)}
4070 @tab inverse hyperbolic tangent
4071 @cindex @code{atanh()}
4072 @item @code{exp(x)}
4073 @tab exponential function
4074 @cindex @code{exp()}
4075 @item @code{log(x)}
4076 @tab natural logarithm
4077 @cindex @code{log()}
4078 @item @code{Li2(x)}
4079 @tab Dilogarithm
4080 @cindex @code{Li2()}
4081 @item @code{zeta(x)}
4082 @tab Riemann's zeta function
4083 @cindex @code{zeta()}
4084 @item @code{zeta(n, x)}
4085 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4086 @item @code{tgamma(x)}
4087 @tab Gamma function
4088 @cindex @code{tgamma()}
4089 @cindex Gamma function
4090 @item @code{lgamma(x)}
4091 @tab logarithm of Gamma function
4092 @cindex @code{lgamma()}
4093 @item @code{beta(x, y)}
4094 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4095 @cindex @code{beta()}
4096 @item @code{psi(x)}
4097 @tab psi (digamma) function
4098 @cindex @code{psi()}
4099 @item @code{psi(n, x)}
4100 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4101 @item @code{factorial(n)}
4102 @tab factorial function
4103 @cindex @code{factorial()}
4104 @item @code{binomial(n, m)}
4105 @tab binomial coefficients
4106 @cindex @code{binomial()}
4107 @item @code{Order(x)}
4108 @tab order term function in truncated power series
4109 @cindex @code{Order()}
4110 @end multitable
4111 @end cartouche
4112
4113 @cindex branch cut
4114 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4115 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4116 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4117 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4118 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4119 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4120 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4121 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4122 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4123 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4124 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4125 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4126 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4127 compatible with C99.
4128
4129
4130 @node Input/Output, Extending GiNaC, Built-in Functions, Methods and Functions
4131 @c    node-name, next, previous, up
4132 @section Input and output of expressions
4133 @cindex I/O
4134
4135 @subsection Expression output
4136 @cindex printing
4137 @cindex output of expressions
4138
4139 The easiest way to print an expression is to write it to a stream:
4140
4141 @example
4142 @{
4143     symbol x("x");
4144     ex e = 4.5+pow(x,2)*3/2;
4145     cout << e << endl;    // prints '(4.5)+3/2*x^2'
4146     // ...
4147 @end example
4148
4149 The output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
4150 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
4151 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
4152 is printed as @samp{x^2}).
4153
4154 It is possible to print expressions in a number of different formats with
4155 the method
4156
4157 @example
4158 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0);
4159 @end example
4160
4161 @cindex @code{print_context} (class)
4162 The type of @code{print_context} object passed in determines the format
4163 of the output. The possible types are defined in @file{ginac/print.h}.
4164 All constructors of @code{print_context} and derived classes take an
4165 @code{ostream &} as their first argument.
4166
4167 To print an expression in a way that can be directly used in a C or C++
4168 program, you pass a @code{print_csrc} object like this:
4169
4170 @example
4171     // ...
4172     cout << "float f = ";
4173     e.print(print_csrc_float(cout));
4174     cout << ";\n";
4175
4176     cout << "double d = ";
4177     e.print(print_csrc_double(cout));
4178     cout << ";\n";
4179
4180     cout << "cl_N n = ";
4181     e.print(print_csrc_cl_N(cout));
4182     cout << ";\n";
4183     // ...
4184 @end example
4185
4186 The three possible types mostly affect the way in which floating point
4187 numbers are written.
4188
4189 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to @code{x*x}):
4190
4191 @example
4192 float f = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
4193 double d = (3.000000e+00/2.000000e+00)*(x*x)+4.500000e+00;
4194 cl_N n = (cln::cl_F("3.0")/cln::cl_F("2.0"))*(x*x)+cln::cl_F("4.5");
4195 @end example
4196
4197 The @code{print_context} type @code{print_tree} provides a dump of the
4198 internal structure of an expression for debugging purposes:
4199
4200 @example
4201     // ...
4202     e.print(print_tree(cout));
4203 @}
4204 @end example
4205
4206 produces
4207
4208 @example
4209 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4210     power, hash=0x9, flags=0x3, nops=2
4211         x (symbol), serial=3, hash=0x44a113a6, flags=0xf
4212         2 (numeric), hash=0x80000042, flags=0xf
4213     3/2 (numeric), hash=0x80000061, flags=0xf
4214     -----
4215     overall_coeff
4216     4.5L0 (numeric), hash=0x8000004b, flags=0xf
4217     =====
4218 @end example
4219
4220 This kind of output is also available in @command{ginsh} as the @code{print()}
4221 function.
4222
4223 Another useful output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
4224 It is rather similar to the default @code{print_context} but provides
4225 some braces needed by LaTeX for delimiting boxes and also converts some
4226 common objects to conventional LaTeX names. It is possible to give symbols
4227 a special name for LaTeX output by supplying it as a second argument to
4228 the @code{symbol} constructor.
4229
4230 For example, the code snippet
4231
4232 @example
4233     // ...
4234     symbol x("x");
4235     ex foo = lgamma(x).series(x==0,3);
4236     foo.print(print_latex(std::cout));
4237 @end example
4238
4239 will print out:
4240
4241 @example
4242     @{(-\ln(x))@}+@{(-\gamma_E)@} x+@{(1/12 \pi^2)@} x^@{2@}+\mathcal@{O@}(x^3)
4243 @end example
4244
4245 @cindex Tree traversal
4246 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
4247 with other algebra systems or for producing code for different
4248 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
4249
4250 @example
4251 static void my_print(const ex & e)
4252 @{
4253     if (is_a<function>(e))
4254         cout << ex_to<function>(e).get_name();
4255     else
4256         cout << e.bp->class_name();
4257     cout << "(";
4258     unsigned n = e.nops();
4259     if (n)
4260         for (unsigned i=0; i<n; i++) @{
4261             my_print(e.op(i));
4262             if (i != n-1)
4263                 cout << ",";
4264         @}
4265     else
4266         cout << e;
4267     cout << ")";
4268 @}
4269
4270 int main(void)
4271 @{
4272     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
4273     return 0;
4274 @}
4275 @end example
4276
4277 This will produce
4278
4279 @example
4280 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
4281 symbol(y))),numeric(-2)))
4282 @end example
4283
4284 If you need an output format that makes it possible to accurately
4285 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
4286 object factory, you should consider storing the expression in an
4287 @code{archive} object and reading the object properties from there.
4288 See the section on archiving for more information.
4289
4290
4291 @subsection Expression input
4292 @cindex input of expressions
4293
4294 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
4295 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
4296 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
4297 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
4298 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
4299
4300 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
4301 list of symbols to be used:
4302
4303 @example
4304 @{
4305     symbol x("x"), y("y");
4306     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
4307 @}
4308 @end example
4309
4310 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
4311 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
4312 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
4313 the list it will throw an exception.
4314
4315 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
4316
4317 @example
4318 #include <iostream>
4319 #include <string>
4320 #include <stdexcept>
4321 #include <ginac/ginac.h>
4322 using namespace std;
4323 using namespace GiNaC;
4324
4325 int main()
4326 @{
4327     symbol x("x");
4328     string s;
4329
4330     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
4331     getline(cin, s);
4332
4333     try @{
4334         ex e(s, lst(x));
4335         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
4336         cout << e.diff(x) << ".\n";
4337     @} catch (exception &p) @{
4338         cerr << p.what() << endl;
4339     @}
4340 @}
4341 @end example
4342
4343
4344 @subsection Archiving
4345 @cindex @code{archive} (class)
4346 @cindex archiving
4347
4348 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
4349 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
4350 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
4351 expression a unique name:
4352
4353 @example
4354 #include <fstream>
4355 using namespace std;
4356 #include <ginac/ginac.h>
4357 using namespace GiNaC;
4358
4359 int main()
4360 @{
4361     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4362
4363     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
4364     ex bar = foo + 1;
4365
4366     archive a;
4367     a.archive_ex(foo, "foo");
4368     a.archive_ex(bar, "the second one");
4369     // ...
4370 @end example
4371
4372 The archive can then be written to a file:
4373
4374 @example
4375     // ...
4376     ofstream out("foobar.gar");
4377     out << a;
4378     out.close();
4379     // ...
4380 @end example
4381
4382 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
4383 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
4384
4385 @cindex @command{viewgar}
4386 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
4387 the contents of GiNaC archive files:
4388
4389 @example
4390 $ viewgar foobar.gar
4391 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
4392 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
4393 @end example
4394
4395 The point of writing archive files is of course that they can later be
4396 read in again:
4397
4398 @example
4399     // ...
4400     archive a2;
4401     ifstream in("foobar.gar");
4402     in >> a2;
4403     // ...
4404 @end example
4405
4406 And the stored expressions can be retrieved by their name:
4407
4408 @example
4409     // ...
4410     lst syms(x, y);
4411
4412     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
4413     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
4414
4415     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
4416     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
4417     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
4418 @}
4419 @end example
4420
4421 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
4422 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
4423 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
4424 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
4425 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
4426 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
4427 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
4428 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
4429
4430 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
4431 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
4432 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
4433 functions that let you access the stored properties:
4434
4435 @example
4436 static void my_print2(const archive_node & n)
4437 @{
4438     string class_name;
4439     n.find_string("class", class_name);
4440     cout << class_name << "(";
4441
4442     archive_node::propinfovector p;
4443     n.get_properties(p);
4444
4445     unsigned num = p.size();
4446     for (unsigned i=0; i<num; i++) @{
4447         const string &name = p[i].name;
4448         if (name == "class")
4449             continue;
4450         cout << name << "=";
4451
4452         unsigned count = p[i].count;
4453         if (count > 1)
4454             cout << "@{";
4455
4456         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
4457             switch (p[i].type) @{
4458                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
4459                     bool x;
4460                     n.find_bool(name, x, j);
4461                     cout << (x ? "true" : "false");
4462                     break;
4463                 @}
4464                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
4465                     unsigned x;
4466                     n.find_unsigned(name, x, j);
4467                     cout << x;
4468                     break;
4469                 @}
4470                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
4471                     string x;
4472                     n.find_string(name, x, j);
4473                     cout << '\"' << x << '\"';
4474                     break;
4475                 @}
4476                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
4477                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
4478                     my_print2(x);
4479                     break;
4480                 @}
4481             @}
4482
4483             if (j != count-1)
4484                 cout << ",";
4485         @}
4486
4487         if (count > 1)
4488             cout << "@}";
4489
4490         if (i != num-1)
4491             cout << ",";
4492     @}
4493
4494     cout << ")";
4495 @}
4496
4497 int main(void)
4498 @{
4499     ex e = pow(2, x) - y;
4500     archive ar(e, "e");
4501     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
4502     return 0;
4503 @}
4504 @end example
4505
4506 This will produce:
4507
4508 @example
4509 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
4510 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
4511 overall_coeff=numeric(number="0"))
4512 @end example
4513
4514 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
4515 class may change between GiNaC versions.
4516
4517
4518 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
4519 @c    node-name, next, previous, up
4520 @chapter Extending GiNaC
4521
4522 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
4523 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
4524 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
4525 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
4526 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
4527 authors---they will happily incorporate them into future versions.
4528
4529 @menu
4530 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
4531 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
4532 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes.
4533 @end menu
4534
4535
4536 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
4537 @c    node-name, next, previous, up
4538 @section What doesn't belong into GiNaC
4539
4540 @cindex @command{ginsh}
4541 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
4542 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
4543 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
4544 language.  There are no loops or conditional expressions in
4545 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
4546 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
4547 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
4548 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
4549 the future.
4550
4551 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
4552 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
4553 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
4554 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
4555 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
4556 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
4557 provided by CLN are much better suited.
4558
4559
4560 @node Symbolic functions, Adding classes, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
4561 @c    node-name, next, previous, up
4562 @section Symbolic functions
4563
4564 The easiest and most instructive way to start with is probably to
4565 implement your own function.  GiNaC's functions are objects of class
4566 @code{function}.  The preprocessor is then used to convert the function
4567 names to objects with a corresponding serial number that is used
4568 internally to identify them.  You usually need not worry about this
4569 number.  New functions may be inserted into the system via a kind of
4570 `registry'.  It is your responsibility to care for some functions that
4571 are called when the user invokes certain methods.  These are usual
4572 C++-functions accepting a number of @code{ex} as arguments and returning
4573 one @code{ex}.  As an example, if we have a look at a simplified
4574 implementation of the cosine trigonometric function, we first need a
4575 function that is called when one wishes to @code{eval} it.  It could
4576 look something like this:
4577
4578 @example
4579 static ex cos_eval_method(const ex & x)
4580 @{
4581     // if (!x%(2*Pi)) return 1
4582     // if (!x%Pi) return -1
4583     // if (!x%Pi/2) return 0
4584     // care for other cases...
4585     return cos(x).hold();
4586 @}
4587 @end example
4588
4589 @cindex @code{hold()}
4590 @cindex evaluation
4591 The last line returns @code{cos(x)} if we don't know what else to do and
4592 stops a potential recursive evaluation by saying @code{.hold()}, which
4593 sets a flag to the expression signaling that it has been evaluated.  We
4594 should also implement a method for numerical evaluation and since we are
4595 lazy we sweep the problem under the rug by calling someone else's
4596 function that does so, in this case the one in class @code{numeric}:
4597
4598 @example
4599 static ex cos_evalf(const ex & x)
4600 @{
4601     if (is_a<numeric>(x))
4602         return cos(ex_to<numeric>(x));
4603     else
4604         return cos(x).hold();
4605 @}
4606 @end example
4607
4608 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
4609 what the first derivative is (higher derivatives (@code{.diff(x,3)} for
4610 instance are then handled automatically by @code{basic::diff} and
4611 @code{ex::diff}):
4612
4613 @example
4614 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
4615 @{
4616     return -sin(x);
4617 @}
4618 @end example
4619
4620 @cindex product rule
4621 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
4622 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
4623 case the function has more than one parameter and its main application
4624 is for correct handling of the chain rule.  For Taylor expansion, it is
4625 enough to know how to differentiate.  But if the function you want to
4626 implement does have a pole somewhere in the complex plane, you need to
4627 write another method for Laurent expansion around that point.
4628
4629 Now that all the ingredients for @code{cos} have been set up, we need
4630 to tell the system about it.  This is done by a macro and we are not
4631 going to describe how it expands, please consult your preprocessor if you
4632 are curious:
4633
4634 @example
4635 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
4636                        evalf_func(cos_evalf).
4637                        derivative_func(cos_deriv));
4638 @end example
4639
4640 The first argument is the function's name used for calling it and for
4641 output.  The second binds the corresponding methods as options to this
4642 object.  Options are separated by a dot and can be given in an arbitrary
4643 order.  GiNaC functions understand several more options which are always
4644 specified as @code{.option(params)}, for example a method for series
4645 expansion @code{.series_func(cos_series)}.  Again, if no series
4646 expansion method is given, GiNaC defaults to simple Taylor expansion,
4647 which is correct if there are no poles involved as is the case for the
4648 @code{cos} function.  The way GiNaC handles poles in case there are any
4649 is best understood by studying one of the examples, like the Gamma
4650 (@code{tgamma}) function for instance.  (In essence the function first
4651 checks if there is a pole at the evaluation point and falls back to
4652 Taylor expansion if there isn't.  Then, the pole is regularized by some
4653 suitable transformation.)  Also, the new function needs to be declared
4654 somewhere.  This may also be done by a convenient preprocessor macro:
4655
4656 @example
4657 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
4658 @end example
4659
4660 The suffix @code{_1P} stands for @emph{one parameter}.  Of course, this
4661 implementation of @code{cos} is very incomplete and lacks several safety
4662 mechanisms.  Please, have a look at the real implementation in GiNaC.
4663 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
4664 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes.  We
4665 have done our best to avoid macros where we can.)
4666
4667
4668 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Symbolic functions, Extending GiNaC
4669 @c    node-name, next, previous, up
4670 @section Adding classes
4671
4672 If you are doing some very specialized things with GiNaC you may find that
4673 you have to implement your own algebraic classes to fit your needs. This
4674 section will explain how to do this by giving the example of a simple
4675 'string' class. After reading this section you will know how to properly
4676 declare a GiNaC class and what the minimum required member functions are
4677 that you have to implement. We only cover the implementation of a 'leaf'
4678 class here (i.e. one that doesn't contain subexpressions). Creating a
4679 container class like, for example, a class representing tensor products is
4680 more involved but this section should give you enough information so you can
4681 consult the source to GiNaC's predefined classes if you want to implement
4682 something more complicated.
4683
4684 @subsection GiNaC's run-time type information system
4685
4686 @cindex hierarchy of classes
4687 @cindex RTTI
4688 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
4689 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
4690 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
4691 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
4692 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
4693 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
4694 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
4695 system that provides this kind of information is called a run-time type
4696 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
4697 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
4698 implements its own, simpler RTTI.
4699
4700 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
4701
4702 @itemize @bullet
4703
4704 @item
4705 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
4706 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
4707 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
4708 classes. They all start with @code{TINFO_}.
4709
4710 @item
4711 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
4712 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
4713 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
4714 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
4715 @file{registrar.h} header file.
4716
4717 @end itemize
4718
4719 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
4720 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
4721 or less automatic) but don't worry, most of the work is simplified by
4722 macros.
4723
4724 @subsection A minimalistic example
4725
4726 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
4727 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
4728 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
4729 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
4730 for your own classes.
4731
4732 The code snippets given here assume that you have included some header files
4733 as follows:
4734
4735 @example
4736 #include <iostream>
4737 #include <string>   
4738 #include <stdexcept>
4739 using namespace std;
4740
4741 #include <ginac/ginac.h>
4742 using namespace GiNaC;
4743 @end example
4744
4745 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
4746 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
4747 by one of the existing classes but it's better to come up with something
4748 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
4749 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
4750 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
4751
4752 @example
4753 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
4754 @end example
4755
4756 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
4757 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
4758 object from a C or C++ string:
4759
4760 @example
4761 class mystring : public basic
4762 @{
4763     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4764   
4765 public:
4766     mystring(const string &s);
4767     mystring(const char *s);
4768
4769 private:
4770     string str;
4771 @};
4772
4773 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
4774 @end example
4775
4776 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
4777 macros are defined in @file{registrar.h}.  They take the name of the class
4778 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
4779 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
4780 the first line after the opening brace of the class definition. The
4781 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
4782 source (at global scope, of course, not inside a function).
4783
4784 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
4785 declarations of the default and copy constructor, the destructor, the
4786 assignment operator and a couple of other functions that are required.  It
4787 also defines a type @code{inherited} which refers to the superclass so you
4788 don't have to modify your code every time you shuffle around the class
4789 hierarchy.  @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} implements the copy
4790 constructor, the destructor and the assignment operator.
4791
4792 Now there are nine member functions we have to implement to get a working
4793 class:
4794
4795 @itemize
4796
4797 @item
4798 @code{mystring()}, the default constructor.
4799
4800 @item
4801 @code{void destroy(bool call_parent)}, which is used in the destructor and the
4802 assignment operator to free dynamically allocated members. The @code{call_parent}
4803 specifies whether the @code{destroy()} function of the superclass is to be
4804 called also.
4805
4806 @item
4807 @code{void copy(const mystring &other)}, which is used in the copy constructor
4808 and assignment operator to copy the member variables over from another
4809 object of the same class.
4810
4811 @item
4812 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
4813 information needed to reconstruct an object of this class inside an
4814 @code{archive_node}.
4815
4816 @item
4817 @code{mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the unarchiving
4818 constructor. This constructs an instance of the class from the information
4819 found in an @code{archive_node}.
4820
4821 @item
4822 @code{ex unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)}, the static
4823 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
4824 constructor.
4825
4826 @item
4827 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
4828 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
4829 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
4830 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
4831 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
4832 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
4833 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
4834 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
4835 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
4836 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
4837 defined.
4838
4839 @item
4840 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
4841 which are the two constructors we declared.
4842
4843 @end itemize
4844
4845 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
4846
4847 @example
4848 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring)
4849 @{
4850     // dynamically allocate resources here if required
4851 @}
4852 @end example
4853
4854 The golden rule is that in all constructors you have to set the
4855 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
4856 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
4857 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
4858 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
4859 (remember that in our case @code{inherited = basic}).  If the superclass
4860 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
4861 to the right value manually.
4862
4863 In the default constructor you should set all other member variables to
4864 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
4865 member gets set to an empty string automatically). The constructor(s) are of
4866 course also the right place to allocate any dynamic resources you require.
4867
4868 Next, the @code{destroy()} function:
4869
4870 @example
4871 void mystring::destroy(bool call_parent)
4872 @{
4873     // free dynamically allocated resources here if required
4874     if (call_parent)
4875         inherited::destroy(call_parent);
4876 @}
4877 @end example
4878
4879 This function is where we free all dynamically allocated resources.  We
4880 don't have any so we're not doing anything here, but if we had, for
4881 example, used a C-style @code{char *} to store our string, this would be
4882 the place to @code{delete[]} the string storage. If @code{call_parent}
4883 is true, we have to call the @code{destroy()} function of the superclass
4884 after we're done (to mimic C++'s automatic invocation of superclass
4885 destructors where @code{destroy()} is called from outside a destructor).
4886
4887 The @code{copy()} function just copies over the member variables from
4888 another object:
4889
4890 @example
4891 void mystring::copy(const mystring &other)
4892 @{
4893     inherited::copy(other);
4894     str = other.str;
4895 @}
4896 @end example
4897
4898 We can simply overwrite the member variables here. There's no need to worry
4899 about dynamically allocated storage.  The assignment operator (which is
4900 automatically defined by @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}, as you
4901 recall) calls @code{destroy()} before it calls @code{copy()}. You have to
4902 explicitly call the @code{copy()} function of the superclass here so
4903 all the member variables will get copied.
4904
4905 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
4906 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
4907 is really simple.  First, the archiving function:
4908
4909 @example
4910 void mystring::archive(archive_node &n) const
4911 @{
4912     inherited::archive(n);
4913     n.add_string("string", str);
4914 @}
4915 @end example
4916
4917 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
4918 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
4919 deem necessary for representing the object into the passed
4920 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
4921 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
4922 file.
4923
4924 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
4925 function:
4926
4927 @example
4928 mystring::mystring(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
4929 @{
4930     n.find_string("string", str);
4931 @}
4932 @end example
4933
4934 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
4935 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
4936 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
4937 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
4938
4939 Finally, the unarchiving function:
4940
4941 @example
4942 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst)
4943 @{
4944     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
4945 @}
4946 @end example
4947
4948 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
4949 four lines into your code literally (replacing the class name, of
4950 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
4951 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
4952 to global objects) you don't need a different implementation. For those
4953 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
4954 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
4955 automatically once it is no longer referenced.
4956
4957 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
4958 the string members:
4959
4960 @example
4961 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
4962 @{
4963     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
4964     int cmpval = str.compare(o.str);
4965     if (cmpval == 0)
4966         return 0;
4967     else if (cmpval < 0)
4968         return -1;
4969     else
4970         return 1;
4971 @}
4972 @end example
4973
4974 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
4975 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
4976 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
4977 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
4978 all relevant member variables.
4979
4980 Now the only thing missing is our two new constructors:
4981
4982 @example
4983 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
4984 @{
4985     // dynamically allocate resources here if required
4986 @}
4987
4988 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s)
4989 @{
4990     // dynamically allocate resources here if required
4991 @}
4992 @end example
4993
4994 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
4995 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
4996
4997 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
4998 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
4999
5000 @example
5001 ex e = mystring("Hello, world!");
5002 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
5003  // -> 1 (true)
5004
5005 cout << e.bp->class_name() << endl;
5006  // -> mystring
5007 @end example
5008
5009 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
5010
5011 @example
5012 cout << e << endl;
5013  // -> [mystring object]
5014 @end example
5015
5016 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
5017 doesn't yet know how to print itself. This is done in the @code{print()}
5018 member function. Let's say that we wanted to print the string surrounded
5019 by double quotes:
5020
5021 @example
5022 class mystring : public basic
5023 @{
5024     ...
5025 public:
5026     void print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
5027     ...
5028 @};
5029
5030 void mystring::print(const print_context &c, unsigned level) const
5031 @{
5032     // print_context::s is a reference to an ostream
5033     c.s << '\"' << str << '\"';
5034 @}
5035 @end example
5036
5037 The @code{level} argument is only required for container classes to
5038 correctly parenthesize the output. Let's try again to print the expression:
5039
5040 @example
5041 cout << e << endl;
5042  // -> "Hello, world!"
5043 @end example
5044
5045 Much better. The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
5046
5047 @example
5048 e += mystring("GiNaC rulez"); 
5049 cout << e << endl;
5050  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
5051 @end example
5052
5053 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
5054
5055 @example
5056 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
5057 cout << e << endl;
5058  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
5059 @end example
5060
5061 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
5062 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
5063 for your objects.
5064
5065 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
5066
5067 @example
5068 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
5069 cout << e << endl;
5070  // -> "Wow"^2
5071
5072 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
5073 cout << e.expand() << endl;
5074  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
5075 @end example
5076
5077 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
5078 concatenation. You would have to implement this yourself.
5079
5080 @subsection Automatic evaluation
5081
5082 @cindex @code{hold()}
5083 @cindex @code{eval()}
5084 @cindex evaluation
5085 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
5086 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
5087 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
5088 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
5089 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
5090 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
5091
5092 @example
5093 class mystring : public basic
5094 @{
5095     ...
5096 public:
5097     ex eval(int level = 0) const;
5098     ...
5099 @};
5100
5101 ex mystring::eval(int level) const
5102 @{
5103     string new_str;
5104     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
5105         char c = str[i];
5106         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
5107             new_str += tolower(c);
5108         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
5109             new_str += c;
5110     @}
5111
5112     if (new_str.length() == 0)
5113         return 0;
5114     else
5115         return mystring(new_str).hold();
5116 @}
5117 @end example
5118
5119 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
5120 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
5121 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
5122 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
5123 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
5124 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
5125 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
5126 unmodified, use @code{return this->hold();}.
5127
5128 Let's confirm that it works:
5129
5130 @example
5131 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
5132 cout << e << endl;
5133  // -> "helloworld"
5134
5135 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
5136 cout << e << endl;
5137  // -> 3*"wow"
5138 @end example
5139
5140 @subsection Other member functions
5141
5142 We have implemented only a small set of member functions to make the class
5143 work in the GiNaC framework. For a real algebraic class, there are probably
5144 some more functions that you will want to re-implement, such as
5145 @code{evalf()}, @code{series()} or @code{op()}. Have a look at @file{basic.h}
5146 or the header file of the class you want to make a subclass of to see
5147 what's there. One member function that you will most likely want to
5148 implement for terminal classes like the described string class is
5149 @code{calcchash()} that returns an @code{unsigned} hash value for the object
5150 which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much more
5151 efficiently.
5152
5153 You can, of course, also add your own new member functions. Remember,
5154 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
5155 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
5156 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
5157 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
5158 should become a need.
5159
5160 That's it. May the source be with you!
5161
5162
5163 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
5164 @c    node-name, next, previous, up
5165 @chapter A Comparison With Other CAS
5166 @cindex advocacy
5167
5168 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
5169 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
5170 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
5171 disadvantages over these systems.
5172
5173 @menu
5174 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
5175 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
5176 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
5177 @end menu
5178
5179 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
5180 @c    node-name, next, previous, up
5181 @section Advantages
5182
5183 GiNaC has several advantages over traditional Computer
5184 Algebra Systems, like 
5185
5186 @itemize @bullet
5187
5188 @item
5189 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
5190 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
5191 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
5192 in common C++, which is standardized.
5193
5194 @cindex STL
5195 @item
5196 structured data types: you can build up structured data types using
5197 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
5198 using unnamed lists of lists of lists.
5199
5200 @item
5201 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
5202 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
5203 nice for novice programmers, but dangerous.
5204     
5205 @item
5206 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
5207 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
5208 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
5209
5210 @item
5211 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
5212 separating interface and implementation.
5213
5214 @item
5215 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
5216 that it is free and available with source code.  And there are excellent
5217 C++-compilers for free, too.
5218     
5219 @item
5220 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
5221 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
5222 usually only extend on a high level by writing in the language defined
5223 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
5224 fix bugs in a traditional system.
5225
5226 @item
5227 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
5228 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
5229 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
5230 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
5231 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
5232 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
5233 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
5234 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
5235 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
5236 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
5237 FTP-site.
5238
5239 @item
5240 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
5241 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
5242 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
5243 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
5244 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
5245 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
5246 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
5247 system (i.e. @emph{Yacas}).
5248
5249 @item
5250 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
5251 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
5252 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
5253 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
5254 speed with other CAS.
5255
5256 @end itemize
5257
5258
5259 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
5260 @c    node-name, next, previous, up
5261 @section Disadvantages
5262
5263 Of course it also has some disadvantages:
5264
5265 @itemize @bullet
5266
5267 @item
5268 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
5269 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
5270 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
5271 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
5272 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
5273 not planned for the near future).
5274
5275 @item
5276 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
5277 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
5278 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
5279 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
5280 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
5281 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
5282 macros to let the compiler gather all static initializations, which
5283 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
5284 really believe that you need to use a different compiler.  We have
5285 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
5286 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
5287 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
5288 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
5289 yet ANSI compliant, support all needed features.
5290     
5291 @end itemize
5292
5293
5294 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
5295 @c    node-name, next, previous, up
5296 @section Why C++?
5297
5298 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
5299 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
5300 possible), separation between interface and implementation is not
5301 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
5302 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
5303 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
5304 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
5305 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
5306 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
5307 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
5308 any other programming language.
5309
5310
5311 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
5312 @c    node-name, next, previous, up
5313 @appendix Internal Structures
5314
5315 @menu
5316 * Expressions are reference counted::
5317 * Internal representation of products and sums::
5318 @end menu
5319
5320 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
5321 @c    node-name, next, previous, up
5322 @appendixsection Expressions are reference counted
5323
5324 @cindex reference counting
5325 @cindex copy-on-write
5326 @cindex garbage collection
5327 An expression is extremely light-weight since internally it works like a
5328 handle to the actual representation and really holds nothing more than a
5329 pointer to some other object.  What this means in practice is that
5330 whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the first
5331 no copying process is involved. Instead, the copying takes place as soon
5332 as you try to change the second.  Consider the simple sequence of code:
5333
5334 @example
5335 #include <iostream>
5336 #include <ginac/ginac.h>
5337 using namespace std;
5338 using namespace GiNaC;
5339
5340 int main()
5341 @{
5342     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5343     ex e1, e2;
5344
5345     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5346     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
5347     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
5348     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
5349     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
5350 @}
5351 @end example
5352
5353 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
5354 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
5355 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
5356 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
5357 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
5358 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
5359 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
5360 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
5361 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
5362 the object it points to too and deletes the object from memory if that
5363 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
5364 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
5365 can be:
5366
5367 @example
5368 @{
5369     symbol x("x"), y("y");
5370
5371     ex e1 = x + 3*y;
5372     ex e2 = pow(e1, 3);
5373     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
5374     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
5375          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
5376          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
5377 @}
5378 @end example
5379
5380 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
5381 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
5382 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
5383 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
5384 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
5385 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
5386 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
5387 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
5388 @code{3*e1^2}.
5389
5390 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
5391 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
5392 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
5393 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
5394 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
5395 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
5396 semantics, we recommend you have a look at the
5397 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
5398 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
5399 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
5400
5401
5402 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
5403 @c    node-name, next, previous, up
5404 @appendixsection Internal representation of products and sums
5405
5406 @cindex representation
5407 @cindex @code{add}
5408 @cindex @code{mul}
5409 @cindex @code{power}
5410 Although it should be completely transparent for the user of
5411 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
5412 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
5413 unexpanded symbolic expression 
5414 @tex
5415 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
5416 @end tex
5417 @ifnottex
5418 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
5419 @end ifnottex
5420 which could naively be represented by a tree of linear containers for
5421 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
5422 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
5423 fashion:
5424
5425 @image{repnaive}
5426
5427 @cindex pair-wise representation
5428 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
5429 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
5430 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
5431 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
5432 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
5433 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
5434 becomes much more flat:
5435
5436 @image{reppair}
5437
5438 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
5439 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
5440 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
5441 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
5442 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
5443 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
5444 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
5445 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
5446 representation, however, since they are still carrying a trivial
5447 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
5448 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
5449 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
5450 representation for
5451 @tex
5452 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
5453 @end tex
5454 @ifnottex
5455 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
5456 @end ifnottex
5457
5458 @image{repreal}
5459
5460 @cindex radical
5461 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
5462 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
5463 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
5464 same abstract class: the data representation is the same, only the
5465 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
5466 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
5467 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
5468
5469
5470 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
5471 @c    node-name, next, previous, up
5472 @appendix Package Tools
5473
5474 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
5475 setting the correct command line options for the compiler and linker
5476 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
5477
5478 @menu
5479 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
5480 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
5481 @end menu
5482
5483
5484 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
5485 @c    node-name, next, previous, up
5486 @section @command{ginac-config}
5487 @cindex ginac-config
5488
5489 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
5490 the compiler and linker command line options required to compile and
5491 link a program with the GiNaC library.
5492
5493 @command{ginac-config} takes the following flags:
5494
5495 @table @samp
5496 @item --version
5497 Prints out the version of GiNaC installed.
5498 @item --cppflags
5499 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
5500 @item --libs
5501 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
5502 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
5503 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
5504 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
5505 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
5506 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
5507 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
5508 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
5509 @end table
5510
5511 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
5512 script, as described below. It, however, can also be used directly from
5513 the command line using backquotes to compile a simple program. For
5514 example:
5515
5516 @example
5517 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
5518 @end example
5519
5520 This command line might expand to (for example):
5521
5522 @example
5523 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
5524   -lginac -lcln -lstdc++
5525 @end example
5526
5527 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
5528 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
5529
5530
5531 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
5532 @c    node-name, next, previous, up
5533 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
5534 @cindex AM_PATH_GINAC
5535
5536 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
5537 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
5538
5539 @example
5540 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
5541 @end example
5542
5543 This macro:
5544
5545 @itemize @bullet
5546
5547 @item
5548 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
5549 either found in the user's path, or from the environment variable
5550 @env{GINACLIB_CONFIG}.
5551
5552 @item
5553 Tests the installed libraries to make sure that their version
5554 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
5555 if not specified)
5556
5557 @item
5558 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
5559 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
5560 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
5561 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
5562 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
5563
5564 @item
5565 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
5566 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
5567
5568 @end itemize
5569
5570 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
5571 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
5572 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
5573 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
5574 aclocal the @samp{-I} option when running it.
5575
5576 @menu
5577 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
5578 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
5579 @end menu
5580
5581
5582 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
5583 @c    node-name, next, previous, up
5584 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
5585
5586 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
5587 the configure script.
5588
5589 Notes:
5590
5591 @itemize @bullet
5592
5593 @item
5594 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
5595 to be found by your system's dynamic linker.
5596   
5597 This is generally done by
5598
5599 @display
5600 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
5601 @end display
5602
5603 or by
5604    
5605 @display
5606 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
5607 @end display
5608
5609 or, as a last resort, 
5610  
5611 @display
5612 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
5613 running configure, for instance:
5614
5615 @example
5616 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
5617 @end example
5618 @end display
5619
5620 @item
5621 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
5622 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
5623 name of the executable
5624
5625 @item
5626 If you move the GiNaC package from its installed location,
5627 you will either need to modify @command{ginac-config} script
5628 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
5629
5630 @end itemize
5631
5632 Advanced note:
5633
5634 @itemize @bullet
5635 @item
5636 configure flags
5637   
5638 @example
5639 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
5640 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
5641 @end example
5642
5643 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
5644 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
5645 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
5646 @end itemize
5647
5648
5649 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
5650 @c    node-name, next, previous, up
5651 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
5652
5653 The following shows how to build a simple package using automake
5654 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
5655
5656 @example
5657 #include <ginac/ginac.h>
5658
5659 int main(void)
5660 @{
5661     GiNaC::symbol x("x");
5662     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
5663     std::cout << "Derivative of " << a 
5664               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
5665     return 0;
5666 @}
5667 @end example
5668
5669 You should first read the introductory portions of the automake
5670 Manual, if you are not already familiar with it.
5671
5672 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
5673 configure script:
5674
5675 @example
5676 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
5677 AC_INIT(simple.cpp)
5678 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
5679
5680 AC_PROG_CXX
5681 AC_PROG_INSTALL
5682 AC_LANG_CPLUSPLUS
5683
5684 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
5685   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
5686   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
5687 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
5688
5689 AC_OUTPUT(Makefile)
5690 @end example
5691
5692 The only command in this which is not standard for automake
5693 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
5694
5695 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
5696 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
5697 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
5698 the error message `need to have GiNaC installed'
5699
5700 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
5701
5702 @example
5703 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
5704 bin_PROGRAMS = simple
5705 simple_SOURCES = simple.cpp
5706 @end example
5707
5708 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
5709 from a single sourcefile @file{simple.cpp}. Since every program
5710 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
5711 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
5712 want to specify them on a per-program basis: for instance by
5713 adding the lines:
5714
5715 @example
5716 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
5717 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
5718 @end example
5719
5720 to the @file{Makefile.am}.
5721
5722 To try this example out, create a new directory and add the three
5723 files above to it.
5724
5725 Now execute the following commands:
5726
5727 @example
5728 $ automake --add-missing
5729 $ aclocal
5730 $ autoconf
5731 @end example
5732
5733 You now have a package that can be built in the normal fashion
5734
5735 @example
5736 $ ./configure
5737 $ make
5738 $ make install
5739 @end example
5740
5741
5742 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
5743 @c    node-name, next, previous, up
5744 @appendix Bibliography
5745
5746 @itemize @minus{}
5747
5748 @item
5749 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
5750
5751 @item
5752 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
5753
5754 @item
5755 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
5756
5757 @item
5758 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
5759
5760 @item
5761 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
5762 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
5763
5764 @item
5765 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
5766 James H. Davenport, Yvon Siret, and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
5767 Academic Press, London
5768
5769 @item
5770 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
5771 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
5772
5773 @item
5774 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
5775 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
5776
5777 @item
5778 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
5779
5780 @end itemize
5781
5782
5783 @node Concept Index, , Bibliography, Top
5784 @c    node-name, next, previous, up
5785 @unnumbered Concept Index
5786
5787 @printindex cp
5788
5789 @bye