]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
synced to 1.1
[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) 1999-2003 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{} 1999-2003 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{} 1999-2003 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 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 @end menu
689
690
691 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
692 @c    node-name, next, previous, up
693 @section Expressions
694 @cindex expression (class @code{ex})
695 @cindex @code{has()}
696
697 The most common class of objects a user deals with is the expression
698 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
699 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
700 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
701 little collection of valid expressions:
702
703 @example
704 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
705 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
706 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
707 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
708 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
709 @end example
710
711 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
712 contain other expressions thus creating a tree of expressions
713 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
714 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
715 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
716 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
717 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
718 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
719
720 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
721 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
722 @code{ex}.
723
724
725 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
726 @c    node-name, next, previous, up
727 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
728 @cindex evaluation
729
730 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
731 them and put them into a canonical form. Some examples:
732
733 @example
734 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
735 ex MyEx2 = x - x;        // 0
736 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
737 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
738 @end example
739
740 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
741 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
742
743 @itemize @bullet
744 @item
745 at most of complexity
746 @tex
747 $O(n\log n)$
748 @end tex
749 @ifnottex
750 @math{O(n log n)}
751 @end ifnottex
752 @item
753 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
754 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
755 @end itemize
756
757 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
758 behave in an entirely obvious way at first glance:
759
760 @itemize
761 @item
762 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
763 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
764 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
765 any other way easily guessable (it almost always depends on the number and
766 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
767 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
768 canonical form.
769 @item
770 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
771 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
772 example
773 @example
774 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
775 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
776 @end example
777 @end itemize
778
779 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
780 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
781 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
782 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
783 some immediate simplifications.
784
785 @cindex @code{eval()}
786 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
787
788 @example
789 ex ex::eval(int level = 0) const;
790 ex basic::eval(int level = 0) const;
791 @end example
792
793 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
794 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
795 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
796 re-evaluate their results.
797
798
799 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
800 @c    node-name, next, previous, up
801 @section Error handling
802 @cindex exceptions
803 @cindex @code{pole_error} (class)
804
805 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
806 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
807 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
808 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
809 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
810 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
811 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
812 at a singularity.
813
814 The @code{pole_error} class has a member function
815
816 @example
817 int pole_error::degree() const;
818 @end example
819
820 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
821 logarithmic or the order is undefined).
822
823 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be catched in
824 the main program even if you don't want to do any special error handling.
825 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
826 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
827 usually only aborts the program without giving any information what went
828 wrong.
829
830 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
831 exceptions generated by GiNaC:
832
833 @example
834 #include <iostream>
835 #include <stdexcept>
836 #include <ginac/ginac.h>
837 using namespace std;
838 using namespace GiNaC;
839
840 int main()
841 @{
842     try @{
843         ...
844         // code using GiNaC
845         ...
846     @} catch (exception &p) @{
847         cerr << p.what() << endl;
848         return 1;
849     @}
850     return 0;
851 @}
852 @end example
853
854
855 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
856 @c    node-name, next, previous, up
857 @section The Class Hierarchy
858
859 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
860 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
861 helpers) are internally derived from one abstract base class called
862 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
863 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
864 containers of expressions and so on.
865
866 @cindex container
867 @cindex atom
868 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
869 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
870 some of the relations among the classes:
871
872 @image{classhierarchy}
873
874 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
875 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
876 duplication if two or more classes derived from them share certain
877 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
878 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
879 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
880 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
881 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
882 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
883 are stored in the different classes:
884
885 @cartouche
886 @multitable @columnfractions .22 .78
887 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
888 @item @code{constant} @tab Constants like 
889 @tex
890 $\pi$
891 @end tex
892 @ifnottex
893 @math{Pi}
894 @end ifnottex
895 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
896 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
897 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
898 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
899 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
900 @tex
901 $\sqrt{2}$
902 @end tex
903 @ifnottex
904 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
905 @end ifnottex
906 @dots{}
907 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
908 @item @code{function} @tab A symbolic function like
909 @tex
910 $\sin 2x$
911 @end tex
912 @ifnottex
913 @math{sin(2*x)}
914 @end ifnottex
915 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
916 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
917 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
918 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
919 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
920 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
921 @item @code{varidx} @tab Index with variance
922 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
923 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
924 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
925 @end multitable
926 @end cartouche
927
928
929 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
930 @c    node-name, next, previous, up
931 @section Symbols
932 @cindex @code{symbol} (class)
933 @cindex hierarchy of classes
934
935 @cindex atom
936 Symbols are for symbolic manipulation what atoms are for chemistry.  You
937 can declare objects of class @code{symbol} as any other object simply by
938 saying @code{symbol x,y;}.  There is, however, a catch in here having to
939 do with the fact that C++ is a compiled language.  The information about
940 the symbol's name is thrown away by the compiler but at a later stage
941 you may want to print expressions holding your symbols.  In order to
942 avoid confusion GiNaC's symbols are able to know their own name.  This
943 is accomplished by declaring its name for output at construction time in
944 the fashion @code{symbol x("x");}.  If you declare a symbol using the
945 default constructor (i.e. without string argument) the system will deal
946 out a unique name.  That name may not be suitable for printing but for
947 internal routines when no output is desired it is often enough.  We'll
948 come across examples of such symbols later in this tutorial.
949
950 This implies that the strings passed to symbols at construction time may
951 not be used for comparing two of them.  It is perfectly legitimate to
952 write @code{symbol x("x"),y("x");} but it is likely to lead into
953 trouble.  Here, @code{x} and @code{y} are different symbols and
954 statements like @code{x-y} will not be simplified to zero although the
955 output @code{x-x} looks funny.  Such output may also occur when there
956 are two different symbols in two scopes, for instance when you call a
957 function that declares a symbol with a name already existent in a symbol
958 in the calling function.  Again, comparing them (using @code{operator==}
959 for instance) will always reveal their difference.  Watch out, please.
960
961 @cindex @code{subs()}
962 Although symbols can be assigned expressions for internal reasons, you
963 should not do it (and we are not going to tell you how it is done).  If
964 you want to replace a symbol with something else in an expression, you
965 can use the expression's @code{.subs()} method (@pxref{Substituting Expressions}).
966
967
968 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
969 @c    node-name, next, previous, up
970 @section Numbers
971 @cindex @code{numeric} (class)
972
973 @cindex GMP
974 @cindex CLN
975 @cindex rational
976 @cindex fraction
977 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
978 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
979 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
980 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
981 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
982 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
983 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
984 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
985 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
986 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
987 several useful things: First, it introduces the complex number field
988 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
989 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
990 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
991 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
992 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
993 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
994 calculation of some useful constants.
995
996 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
997 ways.  The following example shows the four most important constructors.
998 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
999 integers, construction from C-float and construction from a string:
1000
1001 @example
1002 #include <iostream>
1003 #include <ginac/ginac.h>
1004 using namespace GiNaC;
1005
1006 int main()
1007 @{
1008     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1009     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1010     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1011     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1012     // Trott's constant in scientific notation:
1013     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1014     
1015     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1016     ...
1017 @end example
1018
1019 @cindex @code{I}
1020 @cindex complex numbers
1021 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1022 name @code{I}:
1023
1024 @example
1025     ...
1026     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1027     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1028 @}
1029 @end example
1030
1031 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1032 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1033 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1034 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1035 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1036 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1037 also.
1038
1039 @cindex @code{Digits}
1040 @cindex accuracy
1041 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1042 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1043 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1044 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1045 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1046 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1047 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1048 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1049 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1050 digits:
1051
1052 @example
1053 #include <iostream>
1054 #include <ginac/ginac.h>
1055 using namespace std;
1056 using namespace GiNaC;
1057
1058 void foo()
1059 @{
1060     numeric three(3.0), one(1.0);
1061     numeric x = one/three;
1062
1063     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1064     cout << x << endl;
1065     cout << Pi.evalf() << endl;
1066 @}
1067
1068 int main()
1069 @{
1070     foo();
1071     Digits = 60;
1072     foo();
1073     return 0;
1074 @}
1075 @end example
1076
1077 The above example prints the following output to screen:
1078
1079 @example
1080 in 17 digits:
1081 0.33333333333333333334
1082 3.1415926535897932385
1083 in 60 digits:
1084 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1085 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1086 @end example
1087
1088 @cindex rounding
1089 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1090 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1091 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1092 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1093 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1094 architectures with different word size, the above output might even
1095 differ with regard to actually computed digits.
1096
1097 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1098 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1099 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1100
1101 @subsection Tests on numbers
1102
1103 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1104 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1105 kind of information from them like asking whether that number is
1106 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1107 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1108 certain CLN functions.)
1109
1110 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1111 some multiple of its denominator and test what comes out:
1112
1113 @example
1114 #include <iostream>
1115 #include <ginac/ginac.h>
1116 using namespace std;
1117 using namespace GiNaC;
1118
1119 // some very important constants:
1120 const numeric twentyone(21);
1121 const numeric ten(10);
1122 const numeric five(5);
1123
1124 int main()
1125 @{
1126     numeric answer = twentyone;
1127
1128     answer /= five;
1129     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1130     answer *= ten;
1131     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1132 @}
1133 @end example
1134
1135 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1136 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1137 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1138 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1139 the result is automatically converted to a pure integer again.
1140 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1141 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1142 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1143 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1144 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1145 can be applied is listed in the following table.
1146
1147 @cartouche
1148 @multitable @columnfractions .30 .70
1149 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1150 @item @code{.is_zero()}
1151 @tab @dots{}equal to zero
1152 @item @code{.is_positive()}
1153 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1154 @item @code{.is_integer()}
1155 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1156 @item @code{.is_pos_integer()}
1157 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1158 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1159 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1160 @item @code{.is_even()}
1161 @tab @dots{}an even integer
1162 @item @code{.is_odd()}
1163 @tab @dots{}an odd integer
1164 @item @code{.is_prime()}
1165 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1166 @item @code{.is_rational()}
1167 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1168 @item @code{.is_real()}
1169 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1170 @item @code{.is_cinteger()}
1171 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1172 @item @code{.is_crational()}
1173 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1174 @end multitable
1175 @end cartouche
1176
1177 @subsection Converting numbers
1178
1179 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1180 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1181 class provides a couple of methods for this purpose:
1182
1183 @cindex @code{to_int()}
1184 @cindex @code{to_long()}
1185 @cindex @code{to_double()}
1186 @cindex @code{to_cl_N()}
1187 @example
1188 int numeric::to_int() const;
1189 long numeric::to_long() const;
1190 double numeric::to_double() const;
1191 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1192 @end example
1193
1194 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1195 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1196 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1197 rational number will return a floating-point approximation. Both
1198 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1199 part of complex numbers.
1200
1201
1202 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1203 @c    node-name, next, previous, up
1204 @section Constants
1205 @cindex @code{constant} (class)
1206
1207 @cindex @code{Pi}
1208 @cindex @code{Catalan}
1209 @cindex @code{Euler}
1210 @cindex @code{evalf()}
1211 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1212 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1213
1214 The predefined known constants are:
1215
1216 @cartouche
1217 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1218 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1219 @item @code{Pi}
1220 @tab Archimedes' constant
1221 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1222 @item @code{Catalan}
1223 @tab Catalan's constant
1224 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1225 @item @code{Euler}
1226 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1227 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1228 @end multitable
1229 @end cartouche
1230
1231
1232 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1233 @c    node-name, next, previous, up
1234 @section Sums, products and powers
1235 @cindex polynomial
1236 @cindex @code{add}
1237 @cindex @code{mul}
1238 @cindex @code{power}
1239
1240 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1241 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1242 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1243 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1244 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1245 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1246 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1247 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1248
1249 @example
1250     ...
1251     symbol a("a"), b("b");
1252     ex MyTerm = 1+a*b;
1253     ...
1254 @end example
1255
1256 @cindex @code{pow()}
1257 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1258 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1259 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1260 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1261 have several counterintuitive and undesired effects:
1262
1263 @itemize @bullet
1264 @item
1265 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1266 @item
1267 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1268 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1269 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1270 @item
1271 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1272 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1273 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1274 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1275 has requested @code{2^3}.)
1276 @end itemize
1277
1278 @cindex @command{ginsh}
1279 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1280 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1281 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1282 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1283 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1284 not exist at all in C++).
1285
1286 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1287 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1288 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1289 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1290 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1291 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1292 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1293 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1294 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1295 @code{x} negative.
1296
1297 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1298 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1299 and safe simplifications are carried out like transforming
1300 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1301
1302
1303 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1304 @c    node-name, next, previous, up
1305 @section Lists of expressions
1306 @cindex @code{lst} (class)
1307 @cindex lists
1308 @cindex @code{nops()}
1309 @cindex @code{op()}
1310 @cindex @code{append()}
1311 @cindex @code{prepend()}
1312 @cindex @code{remove_first()}
1313 @cindex @code{remove_last()}
1314 @cindex @code{remove_all()}
1315
1316 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1317 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1318 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1319 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and @code{to_rational()},
1320 so you should have a basic understanding of them.
1321
1322 Lists of up to 16 expressions can be directly constructed from single
1323 expressions:
1324
1325 @example
1326 @{
1327     symbol x("x"), y("y");
1328     lst l(x, 2, y, x+y);
1329     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y'
1330     ...
1331 @end example
1332
1333 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1334 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1335 individual elements:
1336
1337 @example
1338     ...
1339     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1340     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1341     ...
1342 @end example
1343
1344 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1345 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1346 sequential access to the elements of a list is possible with the
1347 iterator types provided by the @code{lst} class:
1348
1349 @example
1350 typedef ... lst::const_iterator;
1351 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1352 lst::const_iterator lst::begin() const;
1353 lst::const_iterator lst::end() const;
1354 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1355 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1356 @end example
1357
1358 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1359
1360 @example
1361     ...
1362     // O(N)
1363     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1364         cout << *i << endl;
1365     ...
1366 @end example
1367
1368 which is one order faster than
1369
1370 @example
1371     ...
1372     // O(N^2)
1373     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1374         cout << l.op(i) << endl;
1375     ...
1376 @end example
1377
1378 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1379 the C++ standard library:
1380
1381 @example
1382     ...
1383     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1384     copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1385
1386     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1387     ex sum = accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1388     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1389     ...
1390 @end example
1391
1392 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1393 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1394
1395 @example
1396     ...
1397     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1398     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1399     ...
1400 @end example
1401
1402 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1403 and @code{prepend()} methods:
1404
1405 @example
1406     ...
1407     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1408     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1409     ...
1410 @end example
1411
1412 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1413 and @code{remove_last()}:
1414
1415 @example
1416     ...
1417     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1418     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1419     ...
1420 @end example
1421
1422 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1423
1424 @example
1425     ...
1426     l.remove_all();     // l is now empty
1427     ...
1428 @end example
1429
1430 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1431
1432 @example
1433     ...
1434     lst l1(x, 2, y, x+y);
1435     lst l2(2, x+y, x, y);
1436     l1.sort();
1437     l2.sort();
1438     // l1 and l2 are now equal
1439     ...
1440 @end example
1441
1442 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1443 elements with @code{unique()}:
1444
1445 @example
1446     ...
1447     lst l3(x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x);
1448     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1449 @}
1450 @end example
1451
1452
1453 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1454 @c    node-name, next, previous, up
1455 @section Mathematical functions
1456 @cindex @code{function} (class)
1457 @cindex trigonometric function
1458 @cindex hyperbolic function
1459
1460 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1461 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1462 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1463
1464 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1465 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1466 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1467 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1468 the next example, showing how a function returns itself twice and
1469 finally an expression that may be really useful:
1470
1471 @cindex Gamma function
1472 @cindex @code{subs()}
1473 @example
1474     ...
1475     symbol x("x"), y("y");    
1476     ex foo = x+y/2;
1477     cout << tgamma(foo) << endl;
1478      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1479     ex bar = foo.subs(y==1);
1480     cout << tgamma(bar) << endl;
1481      // -> tgamma(x+1/2)
1482     ex foobar = bar.subs(x==7);
1483     cout << tgamma(foobar) << endl;
1484      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1485     ...
1486 @end example
1487
1488 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1489 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1490 this.
1491
1492 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1493 functions, where the argument list is templated.  This means that
1494 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1495 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1496 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1497 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1498 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1499 point number of class @code{numeric} you should call
1500 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1501 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1502 wrapped inside an @code{ex}.
1503
1504
1505 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1506 @c    node-name, next, previous, up
1507 @section Relations
1508 @cindex @code{relational} (class)
1509
1510 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1511 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1512 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1513 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1514 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1515 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1516
1517 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1518 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1519 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1520 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1521 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1522 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1523 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1524 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1525 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1526 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1527 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1528 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1529 @code{expand()} must be called explicitly.
1530
1531
1532 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1533 @c    node-name, next, previous, up
1534 @section Matrices
1535 @cindex @code{matrix} (class)
1536
1537 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1538 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1539 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1540 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1541
1542 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1543 elements:
1544
1545 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1546 @cindex @code{diag_matrix()}
1547 @cindex @code{unit_matrix()}
1548 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1549 @example
1550 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1551 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1552 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1553 ex diag_matrix(const lst & l);
1554 ex unit_matrix(unsigned x);
1555 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1556 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1557 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1558 @end example
1559
1560 The first two functions are @code{matrix} constructors which create a matrix
1561 with @samp{r} rows and @samp{c} columns. The matrix elements can be
1562 initialized from a (flat) list of expressions @samp{l}. Otherwise they are
1563 all set to zero. The @code{lst_to_matrix()} function constructs a matrix
1564 from a list of lists, each list representing a matrix row. @code{diag_matrix()}
1565 constructs a diagonal matrix given the list of diagonal elements.
1566 @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r} by @samp{c})
1567 unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a matrix filled
1568 with newly generated symbols made of the specified base name and the
1569 position of each element in the matrix.
1570
1571 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1572 operator:
1573
1574 @example
1575 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1576 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1577 @end example
1578
1579 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1580 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1581 @samp{[]} is not available.
1582
1583 Here are a couple of examples of constructing matrices:
1584
1585 @example
1586 @{
1587     symbol a("a"), b("b");
1588
1589     matrix M(2, 2);
1590     M(0, 0) = a;
1591     M(1, 1) = b;
1592     cout << M << endl;
1593      // -> [[a,0],[0,b]]
1594
1595     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1596      // -> [[a,0],[0,b]]
1597
1598     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1599      // -> [[a,0],[0,b]]
1600
1601     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1602      // -> [[a,0],[0,b]]
1603
1604     cout << unit_matrix(3) << endl;
1605      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1606
1607     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1608      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1609 @}
1610 @end example
1611
1612 @cindex @code{transpose()}
1613 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1614 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1615
1616 @example
1617 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1618 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1619 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1620 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1621 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1622 matrix matrix::transpose() const;
1623 @end example
1624
1625 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1626 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1627 and @math{C}:
1628
1629 @example
1630 @{
1631     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4));
1632     matrix B(2, 2, lst(-1, 0, 2, 1));
1633     matrix C(2, 2, lst(8, 4, 2, 1));
1634
1635     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1636     cout << result << endl;
1637      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1638     ...
1639 @}
1640 @end example
1641
1642 @cindex @code{evalm()}
1643 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1644 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1645 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1646 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1647 method
1648
1649 @example
1650 ex ex::evalm() const;
1651 @end example
1652
1653 to obtain the result:
1654
1655 @example
1656 @{
1657     ...
1658     ex e = A*B - 2*C;
1659     cout << e << endl;
1660      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1661     cout << e.evalm() << endl;
1662      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1663     ...
1664 @}
1665 @end example
1666
1667 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1668 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1669 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1670 dealing with non-commutative expressions.
1671
1672 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1673 to perform the arithmetic:
1674
1675 @example
1676 @{
1677     ...
1678     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
1679     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
1680     cout << e << endl;
1681      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
1682     cout << e.simplify_indexed() << endl;
1683      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
1684 @}
1685 @end example
1686
1687 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
1688 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
1689 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
1690 more information about using matrices with indices, and about indices in
1691 general.
1692
1693 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
1694 computing determinants, traces, and characteristic polynomials:
1695
1696 @cindex @code{determinant()}
1697 @cindex @code{trace()}
1698 @cindex @code{charpoly()}
1699 @example
1700 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
1701 ex matrix::trace() const;
1702 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
1703 @end example
1704
1705 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
1706 between different algorithms for calculating the determinant.  The
1707 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
1708 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
1709 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
1710 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
1711 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
1712 quickly.
1713
1714 @cindex @code{inverse()}
1715 @cindex @code{solve()}
1716 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
1717 method and linear systems may be solved with:
1718
1719 @example
1720 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
1721 @end example
1722
1723 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
1724 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
1725 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
1726 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
1727 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
1728 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
1729 overdetermined, an exception is thrown.
1730
1731
1732 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
1733 @c    node-name, next, previous, up
1734 @section Indexed objects
1735
1736 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
1737 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
1738 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
1739 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
1740
1741 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
1742 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
1743 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
1744 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
1745
1746 @cindex @code{idx} (class)
1747 @cindex @code{indexed} (class)
1748 @subsection Indexed quantities and their indices
1749
1750 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
1751 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
1752
1753 @itemize @bullet
1754
1755 @cindex contravariant
1756 @cindex covariant
1757 @cindex variance
1758 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
1759 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
1760 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
1761 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
1762 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
1763 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
1764
1765 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
1766 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
1767 one or more indices.
1768
1769 @end itemize
1770
1771 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
1772 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
1773 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
1774 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
1775 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
1776 not visible in the output.
1777
1778 A simple example shall illustrate the concepts:
1779
1780 @example
1781 #include <iostream>
1782 #include <ginac/ginac.h>
1783 using namespace std;
1784 using namespace GiNaC;
1785
1786 int main()
1787 @{
1788     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
1789     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
1790
1791     symbol A("A");
1792     cout << indexed(A, i, j) << endl;
1793      // -> A.i.j
1794     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
1795      // -> A.i[3].j[3]
1796     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
1797     ...
1798 @end example
1799
1800 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
1801 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
1802 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
1803 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
1804 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
1805 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
1806 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
1807 @code{j}.
1808
1809 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
1810 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
1811 as shown above.
1812
1813 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
1814 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
1815 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
1816 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
1817 correct and will raise an exception:
1818
1819 @example
1820 symbol i("i"), j("j");
1821 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
1822 @end example
1823
1824 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
1825 be numeric, and index dimensions symbolic:
1826
1827 @example
1828     ...
1829     symbol B("B"), dim("dim");
1830     cout << 4 * indexed(A, i)
1831           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
1832      // -> B.j.2.i+4*A.i
1833     ...
1834 @end example
1835
1836 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
1837 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
1838 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
1839 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
1840 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
1841
1842 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
1843 arbitrary expressions:
1844
1845 @example
1846     ...
1847     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
1848      // -> (B+A).(1+2*i)
1849     ...
1850 @end example
1851
1852 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
1853 get an error message from this but you will probably not be able to do
1854 anything useful with it.
1855
1856 @cindex @code{get_value()}
1857 @cindex @code{get_dimension()}
1858 The methods
1859
1860 @example
1861 ex idx::get_value();
1862 ex idx::get_dimension();
1863 @end example
1864
1865 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
1866 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
1867 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
1868 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
1869
1870 There are also the methods
1871
1872 @example
1873 bool idx::is_numeric();
1874 bool idx::is_symbolic();
1875 bool idx::is_dim_numeric();
1876 bool idx::is_dim_symbolic();
1877 @end example
1878
1879 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
1880 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
1881 About Expressions}) returns information about the index value.
1882
1883 @cindex @code{varidx} (class)
1884 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
1885
1886 @example
1887     ...
1888     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
1889     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
1890     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
1891
1892     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
1893      // -> A~mu~nu
1894     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
1895      // -> A.mu~nu
1896     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
1897      // -> A.mu~nu
1898     ...
1899 @end example
1900
1901 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
1902 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
1903 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
1904 constructor. The two methods
1905
1906 @example
1907 bool varidx::is_covariant();
1908 bool varidx::is_contravariant();
1909 @end example
1910
1911 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
1912 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
1913 method
1914
1915 @example
1916 ex varidx::toggle_variance();
1917 @end example
1918
1919 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
1920 variance. By using it you only have to define the index once.
1921
1922 @cindex @code{spinidx} (class)
1923 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
1924 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
1925
1926 @example
1927     ...
1928     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
1929     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
1930                                             // contravariant, undotted
1931     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
1932     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
1933     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
1934
1935     cout << indexed(K, C, D) << endl;
1936      // -> K~C~D
1937     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
1938      // -> K.C~*D
1939     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
1940      // -> K.*D~D
1941     ...
1942 @end example
1943
1944 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
1945 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
1946 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
1947 methods
1948
1949 @example
1950 bool spinidx::is_dotted();
1951 bool spinidx::is_undotted();
1952 @end example
1953
1954 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
1955 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
1956 Finally, the two methods
1957
1958 @example
1959 ex spinidx::toggle_dot();
1960 ex spinidx::toggle_variance_dot();
1961 @end example
1962
1963 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
1964 and the same or opposite variance.
1965
1966 @subsection Substituting indices
1967
1968 @cindex @code{subs()}
1969 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
1970 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
1971 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
1972 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
1973
1974 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
1975 by another index or expression:
1976
1977 @example
1978     ...
1979     ex e = indexed(A, mu_co);
1980     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
1981      // -> A.mu becomes A~nu
1982     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
1983      // -> A.mu becomes A~0
1984     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
1985      // -> A.mu becomes A.0
1986     ...
1987 @end example
1988
1989 The third example shows that trying to replace an index with something that
1990 is not an index will substitute the index value instead.
1991
1992 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
1993 another expression:
1994
1995 @example
1996     ...
1997     ex e = indexed(A, mu_co);
1998     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
1999      // -> A.mu becomes A.nu
2000     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2001      // -> A.mu becomes A.0
2002     ...
2003 @end example
2004
2005 As you see, with the second method only the value of the index will get
2006 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2007 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2008 whole index by another one with the new dimension.
2009
2010 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2011 expected:
2012
2013 @example
2014     ...
2015     ex e = indexed(A, mu_co);
2016     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2017      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2018     ...
2019 @end example
2020
2021 @subsection Symmetries
2022 @cindex @code{symmetry} (class)
2023 @cindex @code{sy_none()}
2024 @cindex @code{sy_symm()}
2025 @cindex @code{sy_anti()}
2026 @cindex @code{sy_cycl()}
2027
2028 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2029 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2030 that is constructed with the helper functions
2031
2032 @example
2033 symmetry sy_none(...);
2034 symmetry sy_symm(...);
2035 symmetry sy_anti(...);
2036 symmetry sy_cycl(...);
2037 @end example
2038
2039 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2040 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2041 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2042 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2043 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2044 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2045 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2046 all indices.
2047
2048 Here are some examples of symmetry definitions:
2049
2050 @example
2051     ...
2052     // No symmetry:
2053     e = indexed(A, i, j);
2054     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2055     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2056
2057     // Symmetric in all three indices:
2058     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2059     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2060     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2061                                                // different canonical order
2062
2063     // Symmetric in the first two indices only:
2064     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2065     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2066
2067     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2068     // be contiguous):
2069     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2070     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2071
2072     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2073     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2074     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2075     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2076
2077     // Cyclic symmetry in all three indices:
2078     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2079     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2080
2081     // The following examples are invalid constructions that will throw
2082     // an exception at run time.
2083
2084     // An index may not appear multiple times:
2085     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2086     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2087
2088     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2089     // same number of indices:
2090     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2091
2092     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2093     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2094     ...
2095 @end example
2096
2097 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2098 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2099 full symmetry in the first six indices you would write
2100 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2101
2102 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2103 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2104
2105 @example
2106     ...
2107     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2108           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2109      // -> 2*A.j.i
2110     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2111           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2112      // -> 0
2113     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2114           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2115      // -> 0
2116     ...
2117 @end example
2118
2119 @cindex @code{get_free_indices()}
2120 @cindex dummy index
2121 @subsection Dummy indices
2122
2123 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2124 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2125 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2126 dummy nor free indices.
2127
2128 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2129 class and their value must be the same single symbol (an index like
2130 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2131 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2132 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2133
2134 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2135 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2136 of a sum are consistent:
2137
2138 @example
2139 @{
2140     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2141
2142     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2143     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2144
2145     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2146     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2147      // -> (.i,.k)
2148      // 'j' and 'l' are dummy indices
2149
2150     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2151     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2152
2153     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2154       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2155     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2156      // -> (~mu,~rho)
2157      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2158
2159     e = indexed(A, mu, mu);
2160     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2161      // -> (~mu)
2162      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2163      // variance
2164
2165     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2166     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2167      // this will throw an exception:
2168      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2169 @}
2170 @end example
2171
2172 @cindex @code{simplify_indexed()}
2173 @subsection Simplifying indexed expressions
2174
2175 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2176 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2177 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2178 there is the method
2179
2180 @example
2181 ex ex::simplify_indexed();
2182 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2183 @end example
2184
2185 that performs some more expensive operations:
2186
2187 @itemize
2188 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2189   @code{get_free_indices()} does
2190 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2191   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2192 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2193   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2194   next section)
2195 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2196   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2197 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2198   of two tensors with a user-defined value
2199 @end itemize
2200
2201 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2202 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2203 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2204
2205 @example
2206 @{
2207     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2208     idx i(i_sym, 3);
2209
2210     scalar_products sp;
2211     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2212     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2213     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2214
2215     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2216     cout << e << endl;
2217      // -> (B+A).i*(A+C).i
2218
2219     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2220          << endl;
2221      // -> 4+C.i*B.i
2222 @}
2223 @end example
2224
2225 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2226 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2227 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2228 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2229 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2230 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2231 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2232 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2233
2234 @cindex @code{expand()}
2235 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2236 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2237 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2238
2239 @cindex @code{tensor} (class)
2240 @subsection Predefined tensors
2241
2242 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2243 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2244 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2245 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2246 indices are specified).
2247
2248 @cindex @code{delta_tensor()}
2249 @subsubsection Delta tensor
2250
2251 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2252 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2253 @code{delta_tensor()}:
2254
2255 @example
2256 @{
2257     symbol A("A"), B("B");
2258
2259     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2260         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2261
2262     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2263          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2264     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2265      // -> B.i.j*A.i.j
2266
2267     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2268      // -> 3
2269 @}
2270 @end example
2271
2272 @cindex @code{metric_tensor()}
2273 @subsubsection General metric tensor
2274
2275 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2276 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2277 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2278 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2279
2280 @example
2281 @{
2282     symbol A("A");
2283
2284     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2285
2286     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2287     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2288      // -> A~mu~rho
2289
2290     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2291     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2292      // -> g~mu~rho
2293
2294     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2295       * metric_tensor(nu, rho);
2296     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2297      // -> delta.mu~rho
2298
2299     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2300       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2301         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2302     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2303      // -> 4+A.rho~rho
2304 @}
2305 @end example
2306
2307 @cindex @code{lorentz_g()}
2308 @subsubsection Minkowski metric tensor
2309
2310 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2311 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2312 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2313 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2314 @samp{eta}):
2315
2316 @example
2317 @{
2318     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2319
2320     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2321       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2322     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2323      // -> 1
2324
2325     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2326       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2327     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2328      // -> -1
2329 @}
2330 @end example
2331
2332 @cindex @code{spinor_metric()}
2333 @subsubsection Spinor metric tensor
2334
2335 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2336 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2337 It is output as @samp{eps}:
2338
2339 @example
2340 @{
2341     symbol psi("psi");
2342
2343     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2344     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2345
2346     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2347     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2348      // -> psi~A
2349
2350     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2351     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2352      // -> -psi~B
2353
2354     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2355     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2356      // -> -psi.A
2357
2358     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2359     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2360      // -> psi.B
2361
2362     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2363     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2364      // -> 2
2365
2366     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2367     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2368      // -> -delta.A~C
2369 @}
2370 @end example
2371
2372 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2373
2374 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2375 @cindex @code{lorentz_eps()}
2376 @subsubsection Epsilon tensor
2377
2378 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2379 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2380 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2381 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2382 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2383 @samp{eps}.
2384
2385 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2386 dimensions:
2387
2388 @example
2389 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2390 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2391 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2392 @end example
2393
2394 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2395 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2396 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2397 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2398 tensor):
2399
2400 @example
2401 @{
2402     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2403            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2404     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2405         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2406     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2407      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2408
2409     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2410     symbol A("A"), B("B");
2411     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2412     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2413      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2414     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2415     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2416      // -> 0
2417 @}
2418 @end example
2419
2420 @subsection Linear algebra
2421
2422 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2423 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2424 and scalar products):
2425
2426 @example
2427 @{
2428     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2429     symbol x("x"), y("y");
2430
2431     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2432     matrix A(2, 2, lst(1, 2, 3, 4)), X(2, 1, lst(x, y));
2433
2434     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2435      // -> 5
2436
2437     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2438     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2439      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2440
2441     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2442     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2443      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2444 @}
2445 @end example
2446
2447 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2448 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2449 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2450
2451 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2452 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2453 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2454 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2455
2456 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2457 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2458 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2459 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2460 of the metric tensor.
2461
2462
2463 @node Non-commutative objects, Methods and Functions, Indexed objects, Basic Concepts
2464 @c    node-name, next, previous, up
2465 @section Non-commutative objects
2466
2467 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2468 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2469 physics:
2470
2471 @itemize
2472 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2473 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2474 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2475 @end itemize
2476
2477 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2478 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2479 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2480 @ref{Matrices}.
2481
2482 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2483 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2484 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2485 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2486 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2487 figuring out by itself which objects commute and will group the factors
2488 by their class. Consider this example:
2489
2490 @example
2491     ...
2492     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2493     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2494     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2495     cout << e << endl;
2496      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2497     ...
2498 @end example
2499
2500 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2501 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2502 together while preserving the order of factors within each class (because
2503 Clifford objects commute with color objects). The resulting expression is a
2504 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2505 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2506 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2507
2508 @cindex @code{ncmul} (class)
2509 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2510 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2511 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2512 though.
2513
2514 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2515 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2516 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2517 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2518 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2519 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2520 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2521 always commute and it's not possible to construct non-commutative products
2522 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2523 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2524
2525 @cindex @code{return_type()}
2526 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2527 Information about the commutativity of an object or expression can be
2528 obtained with the two member functions
2529
2530 @example
2531 unsigned ex::return_type() const;
2532 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2533 @end example
2534
2535 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2536 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2537 expressions in GiNaC:
2538
2539 @itemize
2540 @item @code{return_types::commutative}: Commutes with everything. Most GiNaC
2541   classes are of this kind.
2542 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2543   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2544   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commute
2545   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2546   class.
2547 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2548   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2549   category don't commute with any other @code{noncommutative} or
2550   @code{noncommutative_composite} expressions.
2551 @end itemize
2552
2553 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2554 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2555 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2556 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2557
2558 Here are a couple of examples:
2559
2560 @cartouche
2561 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2562 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2563 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2564 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2565 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2566 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2567 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2568 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2569 @end multitable
2570 @end cartouche
2571
2572 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2573 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2574 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2575 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2576 for color objects.
2577
2578 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2579 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2580 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2581 non-commutative expressions).
2582
2583
2584 @cindex @code{clifford} (class)
2585 @subsection Clifford algebra
2586
2587 @cindex @code{dirac_gamma()}
2588 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2589 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2590 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2591 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2592
2593 @example
2594 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2595 @end example
2596
2597 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2598 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2599 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2600 labels commute with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2601 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2602 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2603
2604 @cindex @code{dirac_ONE()}
2605 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2606
2607 @example
2608 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2609 @end example
2610
2611 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2612 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2613 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2614 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2615 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2616
2617 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2618 There is a special element @samp{gamma5} that commutes with all other
2619 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2620 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2621
2622 @example
2623 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2624 @end example
2625
2626 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2627 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2628 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2629 objects, constructed by
2630
2631 @example
2632 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2633 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2634 @end example
2635
2636 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2637 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2638
2639 @cindex @code{dirac_slash()}
2640 Finally, the function
2641
2642 @example
2643 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2644 @end example
2645
2646 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2647 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2648 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2649 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2650
2651 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2652 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2653 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2654
2655 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2656 for example
2657
2658 @example
2659 @{
2660     ...
2661     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2662     varidx mu(symbol("mu"), D);
2663     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2664          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2665     cout << e << endl;
2666      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2667     e = e.simplify_indexed();
2668     cout << e << endl;
2669      // -> -D*a\+2*a\
2670     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2671      // -> -2*a\
2672     ...
2673 @}
2674 @end example
2675
2676 @cindex @code{dirac_trace()}
2677 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
2678 you use the function
2679
2680 @example
2681 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
2682 @end example
2683
2684 This function takes the trace of all gammas with the specified representation
2685 label; gammas with other labels are left standing. The last argument to
2686 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
2687 element, which defaults to 4. The @code{dirac_trace()} function is a linear
2688 functional that is equal to the usual trace only in @math{D = 4} dimensions.
2689 In particular, the functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when
2690 acting on expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace.
2691 This @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
2692 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
2693
2694 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
2695 @math{D != 4} dimensions:
2696
2697 @example
2698 @{
2699     // 4 dimensions
2700     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2701     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2702            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2703     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2704      // -> -8*eta~rho~nu
2705 @}
2706 ...
2707 @{
2708     // D dimensions
2709     symbol D("D");
2710     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
2711     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
2712            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
2713     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
2714      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
2715 @}
2716 @end example
2717
2718 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
2719 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
2720 QED:
2721
2722 @example
2723 @{
2724     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
2725     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
2726
2727     scalar_products sp;
2728     sp.add(l, l, pow(l, 2));
2729     sp.add(l, q, ldotq);
2730
2731     ex e = dirac_gamma(mu) *
2732            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
2733            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
2734            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
2735     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
2736     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
2737     cout << e << endl;
2738      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
2739 @}
2740 @end example
2741
2742 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
2743 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
2744 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
2745
2746 @example
2747 @{
2748     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2749     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
2750     cout << e << endl;
2751      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
2752
2753     e = canonicalize_clifford(e);
2754     cout << e << endl;
2755      // -> 2*eta~mu~nu
2756 @}
2757 @end example
2758
2759
2760 @cindex @code{color} (class)
2761 @subsection Color algebra
2762
2763 @cindex @code{color_T()}
2764 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
2765 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
2766 elements @math{T_a} are constructed by the function
2767
2768 @example
2769 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
2770 @end example
2771
2772 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2773 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
2774 algebras. Objects with different labels commute with each other. The
2775 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
2776 not @code{varidx}.
2777
2778 @cindex @code{color_ONE()}
2779 The unity element of a color algebra is constructed by
2780
2781 @example
2782 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
2783 @end example
2784
2785 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
2786 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2787 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
2788 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
2789 GiNaC may produce incorrect results.
2790
2791 @cindex @code{color_d()}
2792 @cindex @code{color_f()}
2793 The functions
2794
2795 @example
2796 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2797 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2798 @end example
2799
2800 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
2801 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
2802 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
2803
2804 @cindex @code{color_h()}
2805 There's an additional function
2806
2807 @example
2808 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
2809 @end example
2810
2811 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
2812
2813 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
2814 expressions containing color objects:
2815
2816 @example
2817 @{
2818     ...
2819     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
2820         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
2821
2822     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
2823     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2824      // -> 0
2825
2826     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
2827     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2828      // -> 5/3*delta.k.l
2829
2830     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
2831     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2832      // -> 3*delta.k.l
2833
2834     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
2835     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2836      // -> -32/3
2837
2838     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> -2/3*T.a
2841
2842     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
2843     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2844      // -> -8/9*ONE
2845
2846     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
2847     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2848      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
2849     ...
2850 @end example
2851
2852 @cindex @code{color_trace()}
2853 To calculate the trace of an expression containing color objects you use the
2854 function
2855
2856 @example
2857 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
2858 @end example
2859
2860 This function takes the trace of all color @samp{T} objects with the
2861 specified representation label; @samp{T}s with other labels are left
2862 standing. For example:
2863
2864 @example
2865     ...
2866     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
2867     cout << e << endl;
2868      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
2869 @}
2870 @end example
2871
2872
2873 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Non-commutative objects, Top
2874 @c    node-name, next, previous, up
2875 @chapter Methods and Functions
2876 @cindex polynomial
2877
2878 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
2879 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
2880 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
2881 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
2882 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
2883 example:
2884
2885 @example
2886     ...
2887     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
2888     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
2889     ...
2890 @end example
2891
2892 @cindex @code{subs()}
2893 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
2894 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
2895 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
2896 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
2897 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
2898 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
2899 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
2900 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
2901 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
2902 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
2903 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
2904 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
2905 as simple inline functions which just call the corresponding method and
2906 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
2907 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
2908 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
2909 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
2910 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
2911 avoided.
2912
2913 @menu
2914 * Information About Expressions::
2915 * Numerical Evaluation::
2916 * Substituting Expressions::
2917 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
2918 * Applying a Function on Subexpressions::
2919 * Visitors and Tree Traversal::
2920 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
2921 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
2922 * Symbolic Differentiation::
2923 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
2924 * Symmetrization::
2925 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
2926 * Solving Linear Systems of Equations::
2927 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
2928 @end menu
2929
2930
2931 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
2932 @c    node-name, next, previous, up
2933 @section Getting information about expressions
2934
2935 @subsection Checking expression types
2936 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
2937 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
2938 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
2939 @cindex Converting @code{ex} to other classes
2940 @cindex @code{info()}
2941 @cindex @code{return_type()}
2942 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2943
2944 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
2945 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
2946 GiNaC provides a couple of functions for this:
2947
2948 @example
2949 bool is_a<T>(const ex & e);
2950 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
2951 bool ex::info(unsigned flag);
2952 unsigned ex::return_type() const;
2953 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2954 @end example
2955
2956 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
2957 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
2958 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
2959 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
2960
2961 @example
2962 @{
2963     @dots{}
2964     if (is_a<numeric>(e))
2965         numeric n = ex_to<numeric>(e);
2966     @dots{}
2967 @}
2968 @end example
2969
2970 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
2971 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
2972 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
2973 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
2974
2975 @example
2976 @{
2977     symbol x("x");
2978     ex e1 = 42;
2979     ex e2 = 4*x - 3;
2980     is_a<numeric>(e1);  // true
2981     is_a<numeric>(e2);  // false
2982     is_a<add>(e1);      // false
2983     is_a<add>(e2);      // true
2984     is_a<mul>(e1);      // false
2985     is_a<mul>(e2);      // false
2986 @}
2987 @end example
2988
2989 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
2990 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
2991 class @samp{T}, not including parent classes.
2992
2993 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
2994 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
2995 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
2996 table:
2997
2998 @cartouche
2999 @multitable @columnfractions .30 .70
3000 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3001 @item @code{numeric}
3002 @tab @dots{}a number (same as @code{is_<numeric>(...)})
3003 @item @code{real}
3004 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3005 @item @code{rational}
3006 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3007 @item @code{integer}
3008 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3009 @item @code{crational}
3010 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3011 @item @code{cinteger}
3012 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3013 @item @code{positive}
3014 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3015 @item @code{negative}
3016 @tab @dots{}not complex and less than 0
3017 @item @code{nonnegative}
3018 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3019 @item @code{posint}
3020 @tab @dots{}an integer greater than 0
3021 @item @code{negint}
3022 @tab @dots{}an integer less than 0
3023 @item @code{nonnegint}
3024 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3025 @item @code{even}
3026 @tab @dots{}an even integer
3027 @item @code{odd}
3028 @tab @dots{}an odd integer
3029 @item @code{prime}
3030 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3031 @item @code{relation}
3032 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3033 @item @code{relation_equal}
3034 @tab @dots{}a @code{==} relation
3035 @item @code{relation_not_equal}
3036 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3037 @item @code{relation_less}
3038 @tab @dots{}a @code{<} relation
3039 @item @code{relation_less_or_equal}
3040 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3041 @item @code{relation_greater}
3042 @tab @dots{}a @code{>} relation
3043 @item @code{relation_greater_or_equal}
3044 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3045 @item @code{symbol}
3046 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3047 @item @code{list}
3048 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3049 @item @code{polynomial}
3050 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3051 @item @code{integer_polynomial}
3052 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3053 @item @code{cinteger_polynomial}
3054 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3055 @item @code{rational_polynomial}
3056 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3057 @item @code{crational_polynomial}
3058 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3059 @item @code{rational_function}
3060 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3061 @item @code{algebraic}
3062 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3063 @end multitable
3064 @end cartouche
3065
3066 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3067 so, with which other expressions it would commute, you use the methods
3068 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3069 for an explanation of these.
3070
3071
3072 @subsection Accessing subexpressions
3073 @cindex @code{nops()}
3074 @cindex @code{op()}
3075 @cindex container
3076 @cindex @code{relational} (class)
3077
3078 GiNaC provides the two methods
3079
3080 @example
3081 size_t ex::nops();
3082 ex ex::op(size_t i);
3083 @end example
3084
3085 for accessing the subexpressions in the container-like GiNaC classes like
3086 @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and @code{function}. @code{nops()}
3087 determines the number of subexpressions (@samp{operands}) contained, while
3088 @code{op()} returns the @code{i}-th (0..@code{nops()-1}) subexpression.
3089 In the case of a @code{power} object, @code{op(0)} will return the basis
3090 and @code{op(1)} the exponent. For @code{indexed} objects, @code{op(0)}
3091 is the base expression and @code{op(i)}, @math{i>0} are the indices.
3092
3093 The left-hand and right-hand side expressions of objects of class
3094 @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the methods
3095
3096 @example
3097 ex ex::lhs();
3098 ex ex::rhs();
3099 @end example
3100
3101
3102 @subsection Comparing expressions
3103 @cindex @code{is_equal()}
3104 @cindex @code{is_zero()}
3105
3106 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3107 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3108 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3109 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3110 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3111 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3112 @code{false}.
3113
3114 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3115 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3116 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3117
3118 There are also two methods
3119
3120 @example
3121 bool ex::is_equal(const ex & other);
3122 bool ex::is_zero();
3123 @end example
3124
3125 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3126 respectively.
3127
3128
3129 @subsection Ordering expressions
3130 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3131 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3132 @cindex @code{compare()}
3133
3134 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3135 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3136 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3137 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3138
3139 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3140 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3141 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3142 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3143 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3144 yield @code{true}.
3145
3146 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3147 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3148 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3149 predicates to the STL:
3150
3151 @example
3152 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3153 public:
3154     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3155 @};
3156
3157 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3158 public:
3159     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3160 @};
3161 @end example
3162
3163 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3164 have to use
3165
3166 @example
3167 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3168 @end example
3169
3170 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3171 bugs because the map operates improperly.
3172
3173 Other examples for the use of the functors:
3174
3175 @example
3176 std::vector<ex> v;
3177 // fill vector
3178 ...
3179
3180 // sort vector
3181 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3182
3183 // count the number of expressions equal to '1'
3184 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3185                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3186 @end example
3187
3188 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3189
3190 @example
3191 int ex::compare(const ex & other) const;
3192 @end example
3193
3194 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3195 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3196 after @code{other}.
3197
3198
3199 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3200 @c    node-name, next, previous, up
3201 @section Numercial Evaluation
3202 @cindex @code{evalf()}
3203
3204 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3205 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3206
3207 @example
3208 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3209 @end example
3210
3211 @cindex @code{Digits}
3212 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3213 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3214 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3215
3216 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3217 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3218
3219 @example
3220 @{
3221     // Approximate sin(x/Pi)
3222     symbol x("x");
3223     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3224
3225     // Evaluate numerically at x=0.1
3226     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3227
3228     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3229     if (is_a<numeric>(f)) @{
3230         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3231         cout << d << endl;
3232          // -> 0.0318256
3233     @} else
3234         // error
3235 @}
3236 @end example
3237
3238
3239 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3240 @c    node-name, next, previous, up
3241 @section Substituting expressions
3242 @cindex @code{subs()}
3243
3244 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3245 expressions via the @code{.subs()} method:
3246
3247 @example
3248 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3249 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3250 @end example
3251
3252 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3253 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3254
3255 @example
3256 @{
3257     symbol x("x"), y("y");
3258
3259     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3260     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3261      // -> 73
3262
3263     ex e2 = x*y + x;
3264     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3265      // -> -10
3266 @}
3267 @end example
3268
3269 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3270 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3271
3272 The second form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3273 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3274 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3275 @code{subs(lst(x, y), lst(y, x))} to exchange @samp{x} and @samp{y}.
3276
3277 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3278 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3279 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3280 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3281 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3282 algebraic substitutions in products and powers.
3283 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3284 about patterns and algebraic substitutions.
3285
3286 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3287 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3288 following example:
3289
3290 @example
3291 @{
3292     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3293
3294     ex e1 = pow(x+y, 2);
3295     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3296      // -> 16
3297
3298     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3299     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3300      // -> cos(x)^2*sin(y)
3301
3302     ex e3 = x+y+z;
3303     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3304      // -> x+y+z
3305      // (and not 4+z as one might expect)
3306 @}
3307 @end example
3308
3309 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3310 next section.
3311
3312
3313 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3314 @c    node-name, next, previous, up
3315 @section Pattern matching and advanced substitutions
3316 @cindex @code{wildcard} (class)
3317 @cindex Pattern matching
3318
3319 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3320 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3321 substituting expressions in a more general way.
3322
3323 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3324 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3325 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3326 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3327 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3328 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3329 with the call
3330
3331 @example
3332 ex wild(unsigned label = 0);
3333 @end example
3334
3335 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3336 name.
3337
3338 Some examples for patterns:
3339
3340 @multitable @columnfractions .5 .5
3341 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3342 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3343 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3344 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3345 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3346 @end multitable
3347
3348 Notes:
3349
3350 @itemize
3351 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3352   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3353 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3354   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3355   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3356 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3357   possible to use them as placeholders for other properties like index
3358   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3359   etc.
3360 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3361   as part of noncommutative products.
3362 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3363   are also valid patterns.
3364 @end itemize
3365
3366 @subsection Matching expressions
3367 @cindex @code{match()}
3368 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3369 matches a given pattern. This is done by the function
3370
3371 @example
3372 bool ex::match(const ex & pattern);
3373 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3374 @end example
3375
3376 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3377 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3378 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3379 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3380 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3381 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3382 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3383 expressions by passing in the result of a previous match.
3384
3385 The matching algorithm works as follows:
3386
3387 @itemize
3388 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3389   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3390   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3391   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3392 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3393   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3394   etc.).
3395 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3396   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3397 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3398   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3399   of the pattern.
3400 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3401   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3402 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3403   match the corresponding subexpression of the pattern.
3404 @end itemize
3405
3406 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3407 account for their commutativity and associativity:
3408
3409 @itemize
3410 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3411   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3412   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3413   way.
3414 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3415   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3416   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3417   further matches.
3418 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3419   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3420   which case this wildcard matches the remaining terms.
3421 @end itemize
3422
3423 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3424 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3425 ambiguous results.
3426
3427 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3428 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3429 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3430
3431 @example
3432 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3433 @{@}
3434 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3435 FAIL
3436 > match((x+y)^a,$1^$2);
3437 @{$1==x+y,$2==a@}
3438 > match((x+y)^a,$1^$1);
3439 FAIL
3440 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3441 @{$1==x+y@}
3442 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3443 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3444 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3445 @{$1==a@}
3446 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3447 @{$1==c,$2==b@}
3448   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3449 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3450   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3451    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3452    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3453    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3454    fail.)
3455 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3456   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3457    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3458 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3459 FAIL
3460 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3461 @{$0==a+e+b+f+d@}
3462 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3463 @{$0==a+b+f+d@}
3464 > match(a+b,a+b+$0);
3465 @{$0==0@}
3466 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3467 FAIL
3468   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3469    even though a==a^1.)
3470 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3471 @{$0==x@}
3472 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3473 @{$0==x^2@}
3474 @end example
3475
3476 @subsection Matching parts of expressions
3477 @cindex @code{has()}
3478 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3479 member function
3480
3481 @example
3482 bool ex::has(const ex & pattern);
3483 @end example
3484
3485 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3486 by any of its subexpressions.
3487
3488 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3489 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3490
3491 @example
3492 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3493 1
3494 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3495 0
3496   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3497    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3498 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3499 1
3500   (But this is possible.)
3501 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3502 0
3503   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3504    which "x+y" is not a subexpression.)
3505 > has(x+1,x^$1);
3506 0
3507   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
3508    "x^something".)
3509 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
3510 1
3511 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
3512 0
3513   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
3514    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
3515    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
3516 @end example
3517
3518 @cindex @code{find()}
3519 The method
3520
3521 @example
3522 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
3523 @end example
3524
3525 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
3526 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
3527 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
3528 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
3529 @command{ginsh}, it returns an empty list):
3530
3531 @example
3532 > find(1+x+x^2+x^3,x);
3533 @{x@}
3534 > find(1+x+x^2+x^3,y);
3535 @{@}
3536 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
3537 @{x^3,x^2@}
3538   (Note the absence of "x".)
3539 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
3540 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
3541 > find(%,sin($1));
3542 @{sin(y),sin(x)@}
3543 @end example
3544
3545 @subsection Substituting expressions
3546 @cindex @code{subs()}
3547 Probably the most useful application of patterns is to use them for
3548 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
3549 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
3550 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
3551 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
3552
3553 Some examples:
3554
3555 @example
3556 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
3557 b^3+a^3+(x+y)^3
3558 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
3559 b^4+a^4+(x+y)^4
3560 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
3561 (a+b+c)^2
3562 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
3563 (x+c)^2
3564 > subs(a+2*b,a+b==x);
3565 a+2*b
3566 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
3567 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
3568 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
3569 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
3570 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
3571 cos(1+cos(x))
3572 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
3573 a+b
3574 @end example
3575
3576 The last example would be written in C++ in this way:
3577
3578 @example
3579 @{
3580     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
3581     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
3582     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
3583     cout << e.expand() << endl;
3584      // -> a+b
3585 @}
3586 @end example
3587
3588 @subsection Algebraic substitutions
3589 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
3590 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
3591 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
3592 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
3593 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
3594 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
3595 powers.
3596
3597 An example clarifies it all (hopefully):
3598
3599 @example
3600 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
3601                                         subs_options::algebraic) << endl;
3602 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
3603
3604 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
3605 // --> (c+b+a)^2
3606 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
3607
3608 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
3609                                                                       << endl;
3610 // --> (x+c)^2
3611 // As I said: addition is just the same.
3612
3613 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
3614 // --> x^3*b*a^2+2*b
3615
3616 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
3617                                                                        << endl;
3618 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
3619
3620 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
3621 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
3622
3623 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
3624                                 subs_options::algebraic) << endl;
3625 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
3626 // You should not really need this kind of patterns very often now.
3627 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
3628
3629 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
3630                                 subs_options::algebraic) << endl;
3631 // --> cos(1+cos(x))
3632
3633 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
3634         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
3635                                 subs_options::algebraic)) << endl;
3636 // --> b+a
3637 @end example
3638
3639
3640 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
3641 @c    node-name, next, previous, up
3642 @section Applying a Function on Subexpressions
3643 @cindex tree traversal
3644 @cindex @code{map()}
3645
3646 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
3647 expression while leaving the general structure of it intact. An example
3648 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
3649 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
3650 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
3651 to do this manually which usually results in code like this:
3652
3653 @example
3654 ex calc_trace(ex e)
3655 @{
3656     if (is_a<matrix>(e))
3657         return ex_to<matrix>(e).trace();
3658     else if (is_a<add>(e)) @{
3659         ex sum = 0;
3660         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
3661             sum += calc_trace(e.op(i));
3662         return sum;
3663     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
3664         ...
3665     @} else @{
3666         ...
3667     @}
3668 @}
3669 @end example
3670
3671 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
3672 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
3673 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
3674 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
3675 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
3676
3677 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
3678 operations:
3679
3680 @example
3681 ex ex::map(map_function & f) const;
3682 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
3683 @end example
3684
3685 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
3686 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
3687 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
3688 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
3689 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
3690 non-recursively.
3691
3692 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
3693 the function that is being mapped, or to keep local state information.
3694 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
3695 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
3696 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
3697
3698 @example
3699 struct calc_trace : public map_function @{
3700     ex operator()(const ex &e)
3701     @{
3702         if (is_a<matrix>(e))
3703             return ex_to<matrix>(e).trace();
3704         else if (is_a<mul>(e)) @{
3705             ...
3706         @} else
3707             return e.map(*this);
3708     @}
3709 @};
3710 @end example
3711
3712 This function object could then be used like this:
3713
3714 @example
3715 @{
3716     ex M = ... // expression with matrices
3717     calc_trace do_trace;
3718     ex tr = do_trace(M);
3719 @}
3720 @end example
3721
3722 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
3723 terms in a variable from an expanded polynomial:
3724
3725 @example
3726 struct map_rem_quad : public map_function @{
3727     ex var;
3728     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
3729
3730     ex operator()(const ex & e)
3731     @{
3732         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
3733             return e.map(*this);
3734         else if (is_a<power>(e) && 
3735                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
3736             return 0;
3737         else
3738             return e;
3739     @}
3740 @};
3741
3742 ...
3743
3744 @{
3745     symbol x("x"), y("y");
3746
3747     ex e;
3748     for (int i=0; i<8; i++)
3749         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
3750     cout << e << endl;
3751      // -> 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
3752
3753     map_rem_quad rem_quad(x);
3754     cout << rem_quad(e) << endl;
3755      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
3756 @}
3757 @end example
3758
3759 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
3760 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
3761 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
3762 acts as the placeholder for the operands:
3763
3764 @example
3765 > map(a*b,sin($0));
3766 sin(a)*sin(b)
3767 > map(a+2*b,sin($0));
3768 sin(a)+sin(2*b)
3769 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
3770 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
3771 @end example
3772
3773 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
3774 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
3775 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
3776
3777 @example
3778 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
3779 @{0,0,0@}
3780   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
3781   to "map(@{a,b,c@},0)".
3782 @end example
3783
3784
3785 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
3786 @c    node-name, next, previous, up
3787 @section Visitors and Tree Traversal
3788 @cindex tree traversal
3789 @cindex @code{visitor} (class)
3790 @cindex @code{accept()}
3791 @cindex @code{visit()}
3792 @cindex @code{traverse()}
3793 @cindex @code{traverse_preorder()}
3794 @cindex @code{traverse_postorder()}
3795
3796 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
3797 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
3798 indices with variance you always want the covariant version returned.
3799
3800 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
3801 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
3802 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
3803 with variance, one for plain ones).
3804
3805 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
3806 such as the following:
3807
3808 @example
3809 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
3810 @{
3811     if (is_a<varidx>(e)) @{
3812         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
3813         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3814     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
3815         l.append(e);
3816     @} else @{
3817         size_t n = e.nops();
3818         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
3819             gather_indices_helper(e.op(i), l);
3820     @}
3821 @}
3822
3823 lst gather_indices(const ex & e)
3824 @{
3825     lst l;
3826     gather_indices_helper(e, l);
3827     l.sort();
3828     l.unique();
3829     return l;
3830 @}
3831 @end example
3832
3833 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
3834 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
3835 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
3836
3837 @example
3838     if (is_a<idx>(e)) @{
3839       ...
3840     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
3841       ...
3842 @end example
3843
3844 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
3845 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
3846 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
3847 executed.
3848
3849 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
3850 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
3851 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
3852 write a function that required a different implementation for nearly
3853 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
3854
3855 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
3856 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
3857 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
3858 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
3859 impossible to add virtual member functions to existing classes without
3860 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
3861 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
3862 presented this would be impractical.
3863
3864 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
3865 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
3866 variation, described in detail in
3867 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
3868 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
3869 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
3870 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
3871 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
3872 object that @code{accept()} was being invoked on.
3873
3874 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
3875 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
3876 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
3877 each class.
3878
3879 A call of
3880
3881 @example
3882 void ex::accept(visitor & v) const;
3883 @end example
3884
3885 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
3886 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
3887 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
3888
3889 Here is an example of a visitor:
3890
3891 @example
3892 class my_visitor
3893  : public visitor,          // this is required
3894    public add::visitor,     // visit add objects
3895    public numeric::visitor, // visit numeric objects
3896    public basic::visitor    // visit basic objects
3897 @{
3898     void visit(const add & x)
3899     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
3900
3901     void visit(const numeric & x)
3902     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
3903
3904     void visit(const basic & x)
3905     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
3906 @};
3907 @end example
3908
3909 which can be used as follows:
3910
3911 @example
3912 ...
3913     symbol x("x");
3914     ex e1 = 42;
3915     ex e2 = 4*x-3;
3916     ex e3 = 8*x;
3917
3918     my_visitor v;
3919     e1.accept(v);
3920      // prints "called with a numeric object"
3921     e2.accept(v);
3922      // prints "called with an add object"
3923     e3.accept(v);
3924      // prints "called with a basic object"
3925 ...
3926 @end example
3927
3928 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
3929 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
3930
3931 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
3932 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
3933 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
3934 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
3935 hierarchies of visitors.
3936
3937 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
3938
3939 @example
3940 class gather_indices_visitor
3941  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
3942 @{
3943     lst l;
3944
3945     void visit(const idx & i)
3946     @{
3947         l.append(i);
3948     @}
3949
3950     void visit(const varidx & vi)
3951     @{
3952         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
3953     @}
3954
3955 public:
3956     const lst & get_result() // utility function
3957     @{
3958         l.sort();
3959         l.unique();
3960         return l;
3961     @}
3962 @};
3963 @end example
3964
3965 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
3966 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
3967
3968 @example
3969 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
3970 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
3971 void ex::traverse(visitor & v) const;
3972 @end example
3973
3974 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
3975 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
3976 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
3977 @code{traverse_preorder()}.
3978
3979 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
3980 and @code{traverse()}:
3981
3982 @example
3983 lst gather_indices(const ex & e)
3984 @{
3985     gather_indices_visitor v;
3986     e.traverse(v);
3987     return v.get_result();
3988 @}
3989 @end example
3990
3991
3992 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
3993 @c    node-name, next, previous, up
3994 @section Polynomial arithmetic
3995
3996 @subsection Expanding and collecting
3997 @cindex @code{expand()}
3998 @cindex @code{collect()}
3999 @cindex @code{collect_common_factors()}
4000
4001 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4002 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4003 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4004 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4005 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4006 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4007 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4008 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4009 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4010 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4011 x*z}.
4012
4013 To bring an expression into expanded form, its method
4014
4015 @example
4016 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4017 @end example
4018
4019 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4020 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4021 GiNaC is not easily guessable you should be prepared to see different
4022 orderings of terms in such sums!
4023
4024 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4025 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4026 being polynomials in the remaining variables.  The method
4027 @code{collect()} accomplishes this task:
4028
4029 @example
4030 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4031 @end example
4032
4033 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4034 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4035 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4036 by the @code{distributed} flag.
4037
4038 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4039 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4040 coefficients properly.
4041
4042 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4043 together with @code{find()}:
4044
4045 @example
4046 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4047 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
4048 > collect(a,@{p,q@});
4049 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)
4050 > collect(a,find(a,sin($1)));
4051 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4052 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4053 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4054 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4055 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4056 @end example
4057
4058 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4059 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4060
4061 @example
4062 ex collect_common_factors(const ex & e);
4063 @end example
4064
4065 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4066 factors which are already explicitly present:
4067
4068 @example
4069 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4070 (x+y)*a
4071 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4072 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4073 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4074 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4075 @end example
4076
4077 @subsection Degree and coefficients
4078 @cindex @code{degree()}
4079 @cindex @code{ldegree()}
4080 @cindex @code{coeff()}
4081
4082 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4083 methods
4084
4085 @example
4086 int ex::degree(const ex & s);
4087 int ex::ldegree(const ex & s);
4088 @end example
4089
4090 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4091 on rational functions, returning the asymptotic degree). To extract
4092 a coefficient with a certain power from an expanded polynomial you use
4093
4094 @example
4095 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4096 @end example
4097
4098 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4099
4100 @example
4101 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4102 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4103 @end example
4104
4105 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4106 respectively.
4107
4108 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4109 polynomial is analyzed:
4110
4111 @example
4112 @{
4113     symbol x("x"), y("y");
4114     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4115                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4116     ex Poly = PolyInp.expand();
4117     
4118     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4119         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4120              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4121     @}
4122     cout << "As polynomial in y: " 
4123          << Poly.collect(y) << endl;
4124 @}
4125 @end example
4126
4127 When run, it returns an output in the following fashion:
4128
4129 @example
4130 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4131 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4132 The x^2-coefficient is -1
4133 The x^3-coefficient is 4*y
4134 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4135 @end example
4136
4137 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4138 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4139 within the user's sphere of influence.
4140
4141 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4142 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4143 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4144 constants, functions and indexed objects as well:
4145
4146 @example
4147 @{
4148     symbol a("a"), b("b"), c("c");
4149     idx i(symbol("i"), 3);
4150
4151     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4152     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4153      // -> 4
4154     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4155      // -> -4*cos(x)
4156
4157     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4158     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4159     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4160      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4161 @}
4162 @end example
4163
4164
4165 @subsection Polynomial division
4166 @cindex polynomial division
4167 @cindex quotient
4168 @cindex remainder
4169 @cindex pseudo-remainder
4170 @cindex @code{quo()}
4171 @cindex @code{rem()}
4172 @cindex @code{prem()}
4173 @cindex @code{divide()}
4174
4175 The two functions
4176
4177 @example
4178 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4179 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4180 @end example
4181
4182 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4183 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4184
4185 The additional function
4186
4187 @example
4188 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4189 @end example
4190
4191 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4192 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4193
4194 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4195
4196 @example
4197 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4198 @end example
4199
4200 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4201 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4202 in which case the value of @code{q} is undefined.
4203
4204
4205 @subsection Unit, content and primitive part
4206 @cindex @code{unit()}
4207 @cindex @code{content()}
4208 @cindex @code{primpart()}
4209
4210 The methods
4211
4212 @example
4213 ex ex::unit(const ex & x);
4214 ex ex::content(const ex & x);
4215 ex ex::primpart(const ex & x);
4216 @end example
4217
4218 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4219 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4220 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4221 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4222 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4223 original polynomial.
4224
4225
4226 @subsection GCD and LCM
4227 @cindex GCD
4228 @cindex LCM
4229 @cindex @code{gcd()}
4230 @cindex @code{lcm()}
4231
4232 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4233 multiple have the synopsis
4234
4235 @example
4236 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4237 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4238 @end example
4239
4240 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4241 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4242 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4243 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4244 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4245
4246 @example
4247 #include <ginac/ginac.h>
4248 using namespace GiNaC;
4249
4250 int main()
4251 @{
4252     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4253     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4254     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4255
4256     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4257     // x + 5*y + 4*z
4258     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4259     // 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
4260 @}
4261 @end example
4262
4263
4264 @subsection Square-free decomposition
4265 @cindex square-free decomposition
4266 @cindex factorization
4267 @cindex @code{sqrfree()}
4268
4269 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4270 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4271 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4272 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4273 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4274 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4275 one, too:
4276 @example
4277 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4278 @end example
4279 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4280 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4281 some care with subsequent processing of the result:
4282 @example
4283     ...
4284     symbol x("x"), y("y");
4285     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4286
4287     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4288      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4289
4290     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4291      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4292
4293     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4294      // -> depending on luck, any of the above
4295     ...
4296 @end example
4297 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4298 with this method.
4299
4300
4301 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4302 @c    node-name, next, previous, up
4303 @section Rational expressions
4304
4305 @subsection The @code{normal} method
4306 @cindex @code{normal()}
4307 @cindex simplification
4308 @cindex temporary replacement
4309
4310 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4311 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4312 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4313 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4314 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4315 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4316
4317 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4318 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4319 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4320 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4321 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4322 @code{.to_rational()}, described below.
4323
4324 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4325 simplified in this little code snippet:
4326
4327 @example
4328 @{
4329     symbol x("x");
4330     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4331     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4332     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4333     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4334 @}
4335 @end example
4336
4337 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4338 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4339 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4340
4341
4342 @subsection Numerator and denominator
4343 @cindex numerator
4344 @cindex denominator
4345 @cindex @code{numer()}
4346 @cindex @code{denom()}
4347 @cindex @code{numer_denom()}
4348
4349 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4350
4351 @example
4352 ex ex::numer();
4353 ex ex::denom();
4354 ex ex::numer_denom();
4355 @end example
4356
4357 These functions will first normalize the expression as described above and
4358 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4359 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4360 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4361
4362
4363 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4364 @cindex @code{to_polynomial()}
4365 @cindex @code{to_rational()}
4366
4367 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4368 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4369 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4370 above. You do this by calling
4371
4372 @example
4373 ex ex::to_polynomial(lst &l);
4374 @end example
4375 or
4376 @example
4377 ex ex::to_rational(lst &l);
4378 @end example
4379
4380 on the expression to be converted. The supplied @code{lst} will be filled
4381 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in
4382 a format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
4383 already contain a list of replacements from an earlier application of
4384 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
4385 it on multiple expressions and get consistent results.
4386
4387 The difference betwerrn @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4388 is probably best illustrated with an example:
4389
4390 @example
4391 @{
4392     symbol x("x"), y("y");
4393     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4394     cout << a << endl;
4395
4396     lst lp;
4397     ex p = a.to_polynomial(lp);
4398     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4399      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4400      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4401
4402     lst lr;
4403     ex r = a.to_rational(lr);
4404     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4405      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4406      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4407 @}
4408 @end example
4409
4410 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4411
4412 @example
4413 @{
4414     symbol x("x");
4415     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4416     ex b = sin(x) + cos(x);
4417     ex q;
4418     lst l;
4419     divide(a.to_polynomial(l), b.to_polynomial(l), q);
4420     cout << q.subs(l) << endl;
4421 @}
4422 @end example
4423
4424
4425 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4426 @c    node-name, next, previous, up
4427 @section Symbolic differentiation
4428 @cindex differentiation
4429 @cindex @code{diff()}
4430 @cindex chain rule
4431 @cindex product rule
4432
4433 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4434 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4435 the derivatives of all the monomials:
4436
4437 @example
4438 @{
4439     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4440     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4441
4442     cout << P.diff(x,2) << endl;
4443      // -> 20*x^3 + 2
4444     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4445      // -> 1
4446     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4447      // -> 0
4448 @}
4449 @end example
4450
4451 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4452 returns the @var{n}th derivative.
4453
4454 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4455 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4456 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4457 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
4458 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
4459 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
4460 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
4461 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
4462 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
4463 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
4464 lines:
4465
4466 @cindex Euler numbers
4467 @example
4468 #include <ginac/ginac.h>
4469 using namespace GiNaC;
4470
4471 ex EulerNumber(unsigned n)
4472 @{
4473     symbol x;
4474     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
4475     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
4476 @}
4477
4478 int main()
4479 @{
4480     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
4481         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
4482     return 0;
4483 @}
4484 @end example
4485
4486 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
4487 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
4488 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
4489
4490
4491 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
4492 @c    node-name, next, previous, up
4493 @section Series expansion
4494 @cindex @code{series()}
4495 @cindex Taylor expansion
4496 @cindex Laurent expansion
4497 @cindex @code{pseries} (class)
4498 @cindex @code{Order()}
4499
4500 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
4501 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
4502 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
4503 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
4504 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
4505 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
4506 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
4507 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
4508 term).  A sample application from special relativity could read:
4509
4510 @example
4511 #include <ginac/ginac.h>
4512 using namespace std;
4513 using namespace GiNaC;
4514
4515 int main()
4516 @{
4517     symbol v("v"), c("c");
4518     
4519     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
4520     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
4521     
4522     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
4523          << mass_nonrel << endl;
4524     
4525     cout << "the inverse square of this series is " << endl
4526          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
4527 @}
4528 @end example
4529
4530 Only calling the series method makes the last output simplify to
4531 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
4532 series raised to the power @math{-2}.
4533
4534 @cindex Machin's formula
4535 As another instructive application, let us calculate the numerical 
4536 value of Archimedes' constant
4537 @tex
4538 $\pi$
4539 @end tex
4540 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
4541 using John Machin's amazing formula
4542 @tex
4543 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
4544 @end tex
4545 @ifnottex
4546 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
4547 @end ifnottex
4548 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
4549 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
4550 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
4551 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
4552 order term with it and the question arises what the system is supposed
4553 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
4554 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
4555 term off:
4556
4557 @example
4558 #include <ginac/ginac.h>
4559 using namespace GiNaC;
4560
4561 ex machin_pi(int degr)
4562 @{
4563     symbol x;
4564     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
4565     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
4566                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
4567     return pi_approx;
4568 @}
4569
4570 int main()
4571 @{
4572     using std::cout;  // just for fun, another way of...
4573     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
4574     ex pi_frac;
4575     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
4576         pi_frac = machin_pi(i);
4577         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
4578              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
4579     @}
4580     return 0;
4581 @}
4582 @end example
4583
4584 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
4585 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
4586 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
4587 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
4588 program, it will type out:
4589
4590 @example
4591 2:      3804/1195
4592         3.1832635983263598326
4593 4:      5359397032/1706489875
4594         3.1405970293260603143
4595 6:      38279241713339684/12184551018734375
4596         3.141621029325034425
4597 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
4598         3.141591772182177295
4599 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
4600         3.1415926824043995174
4601 @end example
4602
4603
4604 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
4605 @c    node-name, next, previous, up
4606 @section Symmetrization
4607 @cindex @code{symmetrize()}
4608 @cindex @code{antisymmetrize()}
4609 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
4610
4611 The three methods
4612
4613 @example
4614 ex ex::symmetrize(const lst & l);
4615 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
4616 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
4617 @end example
4618
4619 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
4620 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
4621 weighted by the number of permutations.
4622
4623 The three additional methods
4624
4625 @example
4626 ex ex::symmetrize();
4627 ex ex::antisymmetrize();
4628 ex ex::symmetrize_cyclic();
4629 @end example
4630
4631 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
4632
4633 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
4634 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
4635
4636 @example
4637 @{
4638     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
4639     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
4640                                            
4641     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
4642      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
4643     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
4644      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
4645     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
4646      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
4647 @}
4648 @end example
4649
4650
4651 @node Built-in Functions, Solving Linear Systems of Equations, Symmetrization, Methods and Functions
4652 @c    node-name, next, previous, up
4653 @section Predefined mathematical functions
4654
4655 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
4656
4657 @cartouche
4658 @multitable @columnfractions .30 .70
4659 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
4660 @item @code{abs(x)}
4661 @tab absolute value
4662 @cindex @code{abs()}
4663 @item @code{csgn(x)}
4664 @tab complex sign
4665 @cindex @code{csgn()}
4666 @item @code{sqrt(x)}
4667 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
4668 @cindex @code{sqrt()}
4669 @item @code{sin(x)}
4670 @tab sine
4671 @cindex @code{sin()}
4672 @item @code{cos(x)}
4673 @tab cosine
4674 @cindex @code{cos()}
4675 @item @code{tan(x)}
4676 @tab tangent
4677 @cindex @code{tan()}
4678 @item @code{asin(x)}
4679 @tab inverse sine
4680 @cindex @code{asin()}
4681 @item @code{acos(x)}
4682 @tab inverse cosine
4683 @cindex @code{acos()}
4684 @item @code{atan(x)}
4685 @tab inverse tangent
4686 @cindex @code{atan()}
4687 @item @code{atan2(y, x)}
4688 @tab inverse tangent with two arguments
4689 @item @code{sinh(x)}
4690 @tab hyperbolic sine
4691 @cindex @code{sinh()}
4692 @item @code{cosh(x)}
4693 @tab hyperbolic cosine
4694 @cindex @code{cosh()}
4695 @item @code{tanh(x)}
4696 @tab hyperbolic tangent
4697 @cindex @code{tanh()}
4698 @item @code{asinh(x)}
4699 @tab inverse hyperbolic sine
4700 @cindex @code{asinh()}
4701 @item @code{acosh(x)}
4702 @tab inverse hyperbolic cosine
4703 @cindex @code{acosh()}
4704 @item @code{atanh(x)}
4705 @tab inverse hyperbolic tangent
4706 @cindex @code{atanh()}
4707 @item @code{exp(x)}
4708 @tab exponential function
4709 @cindex @code{exp()}
4710 @item @code{log(x)}
4711 @tab natural logarithm
4712 @cindex @code{log()}
4713 @item @code{Li2(x)}
4714 @tab Dilogarithm
4715 @cindex @code{Li2()}
4716 @item @code{zeta(x)}
4717 @tab Riemann's zeta function
4718 @cindex @code{zeta()}
4719 @item @code{zeta(n, x)}
4720 @tab derivatives of Riemann's zeta function
4721 @item @code{tgamma(x)}
4722 @tab Gamma function
4723 @cindex @code{tgamma()}
4724 @cindex Gamma function
4725 @item @code{lgamma(x)}
4726 @tab logarithm of Gamma function
4727 @cindex @code{lgamma()}
4728 @item @code{beta(x, y)}
4729 @tab Beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
4730 @cindex @code{beta()}
4731 @item @code{psi(x)}
4732 @tab psi (digamma) function
4733 @cindex @code{psi()}
4734 @item @code{psi(n, x)}
4735 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
4736 @item @code{factorial(n)}
4737 @tab factorial function
4738 @cindex @code{factorial()}
4739 @item @code{binomial(n, m)}
4740 @tab binomial coefficients
4741 @cindex @code{binomial()}
4742 @item @code{Order(x)}
4743 @tab order term function in truncated power series
4744 @cindex @code{Order()}
4745 @item @code{Li(n,x)}
4746 @tab polylogarithm
4747 @cindex @code{Li()}
4748 @item @code{S(n,p,x)}
4749 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
4750 @cindex @code{S()}
4751 @item @code{H(m_lst,x)}
4752 @tab harmonic polylogarithm
4753 @cindex @code{H()}
4754 @item @code{Li(m_lst,x_lst)}
4755 @tab multiple polylogarithm
4756 @cindex @code{Li()}
4757 @item @code{mZeta(m_lst)}
4758 @tab multiple zeta value
4759 @cindex @code{mZeta()}
4760 @end multitable
4761 @end cartouche
4762
4763 @cindex branch cut
4764 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
4765 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
4766 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
4767 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
4768 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
4769 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
4770 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
4771 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
4772 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
4773 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
4774 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
4775 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
4776 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
4777 compatible with C99.
4778
4779
4780 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Built-in Functions, Methods and Functions
4781 @c    node-name, next, previous, up
4782 @section Solving Linear Systems of Equations
4783 @cindex @code{lsolve()}
4784
4785 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
4786 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
4787 needs to be solved:
4788
4789 @example
4790 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
4791 @end example
4792
4793 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
4794 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
4795 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
4796 @code{lst}).
4797
4798 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
4799 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
4800
4801 @example
4802 @{
4803     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4804     lst eqns;
4805     eqns.append(a*x+b*y==3).append(x-y==b);
4806     lst vars;
4807     vars.append(x).append(y);
4808     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
4809     // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
4810 @end example
4811
4812 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
4813 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
4814 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
4815 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
4816 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
4817 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
4818 around that method.
4819
4820
4821 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
4822 @c    node-name, next, previous, up
4823 @section Input and output of expressions
4824 @cindex I/O
4825
4826 @subsection Expression output
4827 @cindex printing
4828 @cindex output of expressions
4829
4830 Expressions can simply be written to any stream:
4831
4832 @example
4833 @{
4834     symbol x("x");
4835     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
4836     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
4837     // ...
4838 @end example
4839
4840 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
4841 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
4842 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
4843 is printed as @samp{x^2}).
4844
4845 It is possible to print expressions in a number of different formats with
4846 a set of stream manipulators;
4847
4848 @example
4849 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
4850 std::ostream & latex(std::ostream & os);
4851 std::ostream & tree(std::ostream & os);
4852 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
4853 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
4854 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
4855 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
4856 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
4857 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
4858 @end example
4859
4860 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
4861 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
4862 @code{print_csrc()} functions, respectively.
4863
4864 @cindex @code{dflt}
4865 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
4866 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
4867
4868 @example
4869     // ...
4870     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
4871     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
4872     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
4873     cout << dflt;             // revert to default output format
4874     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
4875     // ...
4876 @end example
4877
4878 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
4879 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
4880
4881 @example
4882     // ...
4883     ostringstream s;
4884     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
4885     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
4886     // ...
4887 @end example
4888
4889 @cindex @code{csrc}
4890 @cindex @code{csrc_float}
4891 @cindex @code{csrc_double}
4892 @cindex @code{csrc_cl_N}
4893 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
4894 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
4895 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
4896 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
4897 classes provided by the CLN library):
4898
4899 @example
4900     // ...
4901     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
4902     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
4903     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
4904     // ...
4905 @end example
4906
4907 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
4908 @code{x*x}):
4909
4910 @example
4911 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
4912 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
4913 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
4914 @end example
4915
4916 @cindex @code{tree}
4917 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
4918 expression for debugging purposes:
4919
4920 @example
4921     // ...
4922     cout << tree << e;
4923 @}
4924 @end example
4925
4926 produces
4927
4928 @example
4929 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4930     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
4931         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
4932         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
4933     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
4934     -----
4935     overall_coeff
4936     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
4937     =====
4938 @end example
4939
4940 @cindex @code{latex}
4941 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
4942 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
4943 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
4944 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
4945 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
4946 constructor.
4947
4948 For example, the code snippet
4949
4950 @example
4951 @{
4952     symbol x("x", "\\circ");
4953     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
4954     cout << latex << e << endl;
4955 @}
4956 @end example
4957
4958 will print
4959
4960 @example
4961     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
4962 @end example
4963
4964 @cindex @code{index_dimensions}
4965 @cindex @code{no_index_dimensions}
4966 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
4967 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
4968 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
4969 formats:
4970
4971 @example
4972 @{
4973     symbol x("x"), y("y");
4974     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
4975     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
4976
4977     cout << e << endl;
4978      // prints 'x~mu*y~nu'
4979     cout << index_dimensions << e << endl;
4980      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
4981     cout << no_index_dimensions << e << endl;
4982      // prints 'x~mu*y~nu'
4983 @}
4984 @end example
4985
4986
4987 @cindex Tree traversal
4988 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
4989 with other algebra systems or for producing code for different
4990 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
4991
4992 @example
4993 static void my_print(const ex & e)
4994 @{
4995     if (is_a<function>(e))
4996         cout << ex_to<function>(e).get_name();
4997     else
4998         cout << e.bp->class_name();
4999     cout << "(";
5000     size_t n = e.nops();
5001     if (n)
5002         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5003             my_print(e.op(i));
5004             if (i != n-1)
5005                 cout << ",";
5006         @}
5007     else
5008         cout << e;
5009     cout << ")";
5010 @}
5011
5012 int main()
5013 @{
5014     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5015     return 0;
5016 @}
5017 @end example
5018
5019 This will produce
5020
5021 @example
5022 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5023 symbol(y))),numeric(-2)))
5024 @end example
5025
5026 If you need an output format that makes it possible to accurately
5027 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5028 object factory, you should consider storing the expression in an
5029 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5030 See the section on archiving for more information.
5031
5032
5033 @subsection Expression input
5034 @cindex input of expressions
5035
5036 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5037 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5038 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5039 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5040 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5041
5042 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5043 list of symbols to be used:
5044
5045 @example
5046 @{
5047     symbol x("x"), y("y");
5048     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5049 @}
5050 @end example
5051
5052 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5053 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5054 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5055 the list it will throw an exception.
5056
5057 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5058
5059 @example
5060 #include <iostream>
5061 #include <string>
5062 #include <stdexcept>
5063 #include <ginac/ginac.h>
5064 using namespace std;
5065 using namespace GiNaC;
5066
5067 int main()
5068 @{
5069     symbol x("x");
5070     string s;
5071
5072     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5073     getline(cin, s);
5074
5075     try @{
5076         ex e(s, lst(x));
5077         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5078         cout << e.diff(x) << ".\n";
5079     @} catch (exception &p) @{
5080         cerr << p.what() << endl;
5081     @}
5082 @}
5083 @end example
5084
5085
5086 @subsection Archiving
5087 @cindex @code{archive} (class)
5088 @cindex archiving
5089
5090 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5091 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5092 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5093 expression a unique name:
5094
5095 @example
5096 #include <fstream>
5097 using namespace std;
5098 #include <ginac/ginac.h>
5099 using namespace GiNaC;
5100
5101 int main()
5102 @{
5103     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5104
5105     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5106     ex bar = foo + 1;
5107
5108     archive a;
5109     a.archive_ex(foo, "foo");
5110     a.archive_ex(bar, "the second one");
5111     // ...
5112 @end example
5113
5114 The archive can then be written to a file:
5115
5116 @example
5117     // ...
5118     ofstream out("foobar.gar");
5119     out << a;
5120     out.close();
5121     // ...
5122 @end example
5123
5124 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5125 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5126
5127 @cindex @command{viewgar}
5128 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5129 the contents of GiNaC archive files:
5130
5131 @example
5132 $ viewgar foobar.gar
5133 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5134 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5135 @end example
5136
5137 The point of writing archive files is of course that they can later be
5138 read in again:
5139
5140 @example
5141     // ...
5142     archive a2;
5143     ifstream in("foobar.gar");
5144     in >> a2;
5145     // ...
5146 @end example
5147
5148 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5149
5150 @example
5151     // ...
5152     lst syms(x, y);
5153
5154     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5155     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5156
5157     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5158     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5159     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5160 @}
5161 @end example
5162
5163 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5164 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5165 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5166 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5167 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5168 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5169 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5170 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5171
5172 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5173 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5174 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5175 functions that let you access the stored properties:
5176
5177 @example
5178 static void my_print2(const archive_node & n)
5179 @{
5180     string class_name;
5181     n.find_string("class", class_name);
5182     cout << class_name << "(";
5183
5184     archive_node::propinfovector p;
5185     n.get_properties(p);
5186
5187     size_t num = p.size();
5188     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5189         const string &name = p[i].name;
5190         if (name == "class")
5191             continue;
5192         cout << name << "=";
5193
5194         unsigned count = p[i].count;
5195         if (count > 1)
5196             cout << "@{";
5197
5198         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5199             switch (p[i].type) @{
5200                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5201                     bool x;
5202                     n.find_bool(name, x, j);
5203                     cout << (x ? "true" : "false");
5204                     break;
5205                 @}
5206                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5207                     unsigned x;
5208                     n.find_unsigned(name, x, j);
5209                     cout << x;
5210                     break;
5211                 @}
5212                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5213                     string x;
5214                     n.find_string(name, x, j);
5215                     cout << '\"' << x << '\"';
5216                     break;
5217                 @}
5218                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5219                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5220                     my_print2(x);
5221                     break;
5222                 @}
5223             @}
5224
5225             if (j != count-1)
5226                 cout << ",";
5227         @}
5228
5229         if (count > 1)
5230             cout << "@}";
5231
5232         if (i != num-1)
5233             cout << ",";
5234     @}
5235
5236     cout << ")";
5237 @}
5238
5239 int main()
5240 @{
5241     ex e = pow(2, x) - y;
5242     archive ar(e, "e");
5243     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5244     return 0;
5245 @}
5246 @end example
5247
5248 This will produce:
5249
5250 @example
5251 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5252 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5253 overall_coeff=numeric(number="0"))
5254 @end example
5255
5256 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5257 class may change between GiNaC versions.
5258
5259
5260 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5261 @c    node-name, next, previous, up
5262 @chapter Extending GiNaC
5263
5264 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5265 GiNaC's design-patterns.  From here on you should start reading the
5266 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5267 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5268 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5269 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5270
5271 @menu
5272 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5273 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5274 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
5275 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
5276 @end menu
5277
5278
5279 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
5280 @c    node-name, next, previous, up
5281 @section What doesn't belong into GiNaC
5282
5283 @cindex @command{ginsh}
5284 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
5285 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
5286 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
5287 language.  There are no loops or conditional expressions in
5288 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
5289 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
5290 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
5291 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
5292 the future.
5293
5294 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
5295 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
5296 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
5297 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
5298 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
5299 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
5300 provided by CLN are much better suited.
5301
5302
5303 @node Symbolic functions, Structures, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
5304 @c    node-name, next, previous, up
5305 @section Symbolic functions
5306
5307 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
5308 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
5309 two preprocessor macros:
5310
5311 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
5312 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
5313 @example
5314 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
5315 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
5316 @end example
5317
5318 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
5319 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
5320 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
5321 @code{function} object that represents your function.
5322
5323 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
5324 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
5325 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
5326 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
5327 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
5328 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
5329 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
5330 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
5331
5332 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
5333 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
5334 done our best to avoid macros where we can.)
5335
5336 @subsection A minimal example
5337
5338 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
5339 that is not further evaluated:
5340
5341 @example
5342 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
5343
5344 static ex myfcn_eval(const ex & x, const ex & y)
5345 @{
5346     return myfcn(x, y).hold();
5347 @}
5348
5349 REGISTER_FUNCTION(myfcn, eval_func(myfcn_eval))
5350 @end example
5351
5352 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
5353 in algebraic expressions:
5354
5355 @example
5356 @{
5357     ...
5358     symbol x("x");
5359     ex e = 2*myfcn(42, 3*x+1) - x;
5360      // this calls myfcn_eval(42, 3*x+1), and inserts its return value into
5361      // the actual expression
5362     cout << e << endl;
5363      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
5364     ...
5365 @}
5366 @end example
5367
5368 @cindex @code{hold()}
5369 @cindex evaluation
5370 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
5371 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
5372 the same number of arguments as the associated symbolic function (two in this
5373 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
5374 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
5375 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
5376 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
5377 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
5378 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
5379 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
5380 somewhere.
5381
5382 There is not much you can do with the @code{myfcn} function. It merely acts
5383 as a kind of container for its arguments (which is, however, sometimes
5384 perfectly sufficient). Let's have a look at the implementation of GiNaC's
5385 cosine function.
5386
5387 @subsection The cosine function
5388
5389 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
5390
5391 @example
5392 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
5393 @end example
5394
5395 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
5396 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
5397 this function in expressions.
5398
5399 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. The
5400 @code{eval_func()} function looks something like this (actually, it doesn't
5401 look like this at all, but it should give you an idea what is going on):
5402
5403 @example
5404 static ex cos_eval(const ex & x)
5405 @{
5406     if (<x is a multiple of 2*Pi>)
5407         return 1;
5408     else if (<x is a multiple of Pi>)
5409         return -1;
5410     else if (<x is a multiple of Pi/2>)
5411         return 0;
5412     // more rules...
5413
5414     else if (<x has the form 'acos(y)'>)
5415         return y;
5416     else if (<x has the form 'asin(y)'>)
5417         return sqrt(1-y^2);
5418     // more rules...
5419
5420     else
5421         return cos(x).hold();
5422 @}
5423 @end example
5424
5425 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
5426 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
5427 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
5428 with @code{.hold()}.
5429
5430 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
5431 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
5432 different function:
5433
5434 @example
5435 static ex cos_evalf(const ex & x)
5436 @{
5437     if (is_a<numeric>(x))
5438         return cos(ex_to<numeric>(x));
5439     else
5440         return cos(x).hold();
5441 @}
5442 @end example
5443
5444 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
5445 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
5446 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
5447 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
5448 function would require it in this place.
5449
5450 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
5451 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
5452 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
5453 @code{ex::diff}):
5454
5455 @example
5456 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
5457 @{
5458     return -sin(x);
5459 @}
5460 @end example
5461
5462 @cindex product rule
5463 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
5464 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
5465 case the function has more than one parameter, and its main application
5466 is for correct handling of the chain rule.
5467
5468 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
5469 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
5470 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
5471 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
5472
5473 @example
5474 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
5475                      int order, unsigned options)
5476 @{
5477     // Find the actual expansion point
5478     const ex x_pt = x.subs(rel);
5479
5480     if (<x_pt is not an odd multiple of Pi/2>)
5481         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
5482
5483     // On a pole, expand sin()/cos()
5484     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
5485 @}
5486 @end example
5487
5488 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
5489 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
5490
5491 Now that all the ingredients have been set up, the @code{REGISTER_FUNCTION}
5492 macro is used to tell the system how the @code{cos()} function behaves:
5493
5494 @example
5495 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
5496                        evalf_func(cos_evalf).
5497                        derivative_func(cos_deriv).
5498                        latex_name("\\cos"));
5499 @end example
5500
5501 This registers the @code{cos_eval()}, @code{cos_evalf()} and
5502 @code{cos_deriv()} C++ functions with the @code{cos()} function, and also
5503 gives it a proper LaTeX name.
5504
5505 @subsection Function options
5506
5507 GiNaC functions understand several more options which are always
5508 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
5509 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()} (usually
5510 the @code{eval()} method).
5511
5512 @example
5513 eval_func(<C++ function>)
5514 evalf_func(<C++ function>)
5515 derivative_func(<C++ function>)
5516 series_func(<C++ function>)
5517 @end example
5518
5519 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
5520 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
5521 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
5522 @code{diff()} and @code{series()}.
5523
5524 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
5525 automatic evaluation is desired or possible.
5526
5527 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
5528 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
5529 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
5530 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
5531 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
5532 suitable transformation.
5533
5534 @example
5535 latex_name(const string & n)
5536 @end example
5537
5538 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
5539 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
5540
5541 @example
5542 do_not_evalf_params()
5543 @end example
5544
5545 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
5546 function before calling the @code{evalf_func()}.
5547
5548 @example
5549 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
5550 @end example
5551
5552 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
5553 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
5554 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
5555 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
5556 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
5557 commutation properties of their first argument.
5558
5559 @example
5560 set_symmetry(const symmetry & s)
5561 @end example
5562
5563 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
5564 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
5565 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
5566 symmetric functions into a canonical order.
5567
5568
5569 @node Structures, Adding classes, Symbolic functions, Extending GiNaC
5570 @c    node-name, next, previous, up
5571 @section Structures
5572
5573 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
5574 need some more organized way to store data in your expressions instead of
5575 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
5576 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
5577 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
5578
5579 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
5580 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
5581 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
5582 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
5583 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
5584 read both sections because many common concepts and member functions are
5585 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
5586 is most suited to your needs.
5587
5588 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
5589 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
5590 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
5591
5592 @subsection Example: scalar products
5593
5594 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
5595 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
5596 product class have to store their left and right operands, which can in turn
5597 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
5598 product in a C++ @code{struct}:
5599
5600 @example
5601 #include <iostream>
5602 using namespace std;
5603
5604 #include <ginac/ginac.h>
5605 using namespace GiNaC;
5606
5607 struct sprod_s @{
5608     ex left, right;
5609
5610     sprod_s() @{@}
5611     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
5612 @};
5613 @end example
5614
5615 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
5616 data structure, we need only one line:
5617
5618 @example
5619 typedef structure<sprod_s> sprod;
5620 @end example
5621
5622 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
5623 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
5624 expressions like any other GiNaC class:
5625
5626 @example
5627 ...
5628     symbol a("a"), b("b");
5629     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
5630 ...
5631 @end example
5632
5633 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
5634 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
5635 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
5636 constructed from an @code{sprod_s} object.
5637
5638 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
5639 you could define a little wrapper function like this:
5640
5641 @example
5642 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
5643 @{
5644     return sprod(sprod_s(left, right));
5645 @}
5646 @end example
5647
5648 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
5649 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
5650 @code{get_struct()}:
5651
5652 @example
5653 ...
5654     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
5655      // -> a
5656     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
5657      // -> b
5658 ...
5659 @end example
5660
5661 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
5662
5663 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
5664 that deal with scalar products, for example:
5665
5666 @example
5667 ex swap_sprod(ex p)
5668 @{
5669     if (is_a<sprod>(p)) @{
5670         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
5671         return make_sprod(sp.right, sp.left);
5672     @} else
5673         return p;
5674 @}
5675
5676 ...
5677     f = swap_sprod(e);
5678      // f is now <b|a>
5679 ...
5680 @end example
5681
5682 @subsection Structure output
5683
5684 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
5685 desired, most notably proper output:
5686
5687 @example
5688 ...
5689     cout << e << endl;
5690      // -> [structure object]
5691 ...
5692 @end example
5693
5694 By default, any structure types you define will be printed as
5695 @samp{[structure object]}. To override this, you can specialize the
5696 template's @code{print()} member function. The member functions of
5697 GiNaC classes are described in more detail in the next section, but
5698 it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
5699
5700 @example
5701 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
5702 @{
5703     // tree debug output handled by superclass
5704     if (is_a<print_tree>(c))
5705         inherited::print(c, level);
5706
5707     // get the contained sprod_s object
5708     const sprod_s & sp = get_struct();
5709
5710     // print_context::s is a reference to an ostream
5711     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
5712 @}
5713 @end example
5714
5715 Now we can print expressions containing scalar products:
5716
5717 @example
5718 ...
5719     cout << e << endl;
5720      // -> <a|b>
5721     cout << swap_sprod(e) << endl;
5722      // -> <b|a>
5723 ...
5724 @end example
5725
5726 @subsection Comparing structures
5727
5728 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
5729 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
5730 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
5731 and undesired behavior:
5732
5733 @example
5734 ...
5735     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5736      // -> 0
5737     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5738      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
5739 ...
5740 @end example
5741
5742 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
5743 for objects of type @code{sprod_s}:
5744
5745 @example
5746 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
5747 @{
5748     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
5749 @}
5750
5751 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
5752 @{
5753     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
5754 @}
5755 @end example
5756
5757 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
5758 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
5759 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
5760 in the implementation of these operators because they would construct
5761 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
5762 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
5763 decide which one is algebraically 'less').
5764
5765 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
5766 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
5767
5768 @example
5769 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
5770 @end example
5771
5772 @code{sprod} objects then behave as expected:
5773
5774 @example
5775 ...
5776     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5777      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
5778     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
5779      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
5780     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
5781      // -> 0
5782     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
5783      // -> 2*<a|b>
5784 ...
5785 @end example
5786
5787 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
5788 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
5789 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
5790 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
5791 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
5792 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
5793
5794 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
5795 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
5796 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
5797 This should be used with extreme care because it only works reliably with
5798 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
5799 undefined value) that the @code{T} class might have.
5800
5801 @subsection Subexpressions
5802
5803 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
5804 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
5805 @code{nops()} and @code{op()} methods:
5806
5807 @example
5808 size_t sprod::nops() const
5809 @{
5810     return 2;
5811 @}
5812
5813 ex sprod::op(size_t i) const
5814 @{
5815     switch (i) @{
5816     case 0:
5817         return get_struct().left;
5818     case 1:
5819         return get_struct().right;
5820     default:
5821         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
5822     @}
5823 @}
5824 @end example
5825
5826 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
5827 @code{sprod} has two other nice side effects:
5828
5829 @itemize @bullet
5830 @item
5831 @code{has()} works as expected
5832 @item
5833 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
5834 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
5835 @end itemize
5836
5837 @cindex @code{let_op()}
5838 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
5839 allows replacing subexpressions:
5840
5841 @example
5842 ex & sprod::let_op(size_t i)
5843 @{
5844     // every non-const member function must call this
5845     ensure_if_modifiable();
5846
5847     switch (i) @{
5848     case 0:
5849         return get_struct().left;
5850     case 1:
5851         return get_struct().right;
5852     default:
5853         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
5854     @}
5855 @}
5856 @end example
5857
5858 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
5859 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
5860 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
5861 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
5862
5863 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
5864 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
5865 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
5866 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
5867 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
5868 This is left as an exercise for the reader.
5869
5870 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
5871 you can override by specialization to customize the behavior of your
5872 structures. You are referred to the next section for a description of
5873 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
5874 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
5875 @code{structure<T>} template: archiving.
5876
5877 @subsection Archiving structures
5878
5879 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
5880 should first read the next section and then come back here. You're back?
5881 Good.
5882
5883 To implement archiving for structures it is not enough to provide
5884 specializations for the @code{archive()} member function and the
5885 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
5886 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
5887 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
5888 the class of an object is stored as a string, the class name.
5889
5890 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
5891 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
5892 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
5893 need to provide a different name for each by specializing the
5894 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
5895 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
5896
5897 @example
5898 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
5899
5900 void sprod::archive(archive_node & n) const
5901 @{
5902     inherited::archive(n);
5903     n.add_ex("left", get_struct().left);
5904     n.add_ex("right", get_struct().right);
5905 @}
5906
5907 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
5908 @{
5909     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
5910     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
5911 @}
5912 @end example
5913
5914 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
5915 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
5916 @code{sprod::unarchive()} function.
5917
5918
5919 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
5920 @c    node-name, next, previous, up
5921 @section Adding classes
5922
5923 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
5924 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
5925 severe of which being that you can't add any new member functions to
5926 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
5927 from scratch.
5928
5929 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
5930 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
5931 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
5932 required member functions are that you have to implement. We only cover the
5933 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
5934 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
5935 representing tensor products is more involved but this section should give
5936 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
5937 classes if you want to implement something more complicated.
5938
5939 @subsection GiNaC's run-time type information system
5940
5941 @cindex hierarchy of classes
5942 @cindex RTTI
5943 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
5944 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
5945 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
5946 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
5947 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
5948 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
5949 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
5950 system that provides this kind of information is called a run-time type
5951 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
5952 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
5953 implements its own, simpler RTTI.
5954
5955 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
5956
5957 @itemize @bullet
5958
5959 @item
5960 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
5961 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
5962 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
5963 classes. They all start with @code{TINFO_}.
5964
5965 @item
5966 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
5967 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
5968 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
5969 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
5970 @file{registrar.h} header file.
5971
5972 @end itemize
5973
5974 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
5975 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
5976 or less automatic) but don't worry, most of the work is simplified by
5977 macros.
5978
5979 @subsection A minimalistic example
5980
5981 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
5982 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
5983 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
5984 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
5985 for your own classes.
5986
5987 The code snippets given here assume that you have included some header files
5988 as follows:
5989
5990 @example
5991 #include <iostream>
5992 #include <string>   
5993 #include <stdexcept>
5994 using namespace std;
5995
5996 #include <ginac/ginac.h>
5997 using namespace GiNaC;
5998 @end example
5999
6000 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
6001 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
6002 by one of the existing classes but it's better to come up with something
6003 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
6004 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
6005 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
6006
6007 @example
6008 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
6009 @end example
6010
6011 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
6012 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
6013 object from a C or C++ string:
6014
6015 @example
6016 class mystring : public basic
6017 @{
6018     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6019   
6020 public:
6021     mystring(const string &s);
6022     mystring(const char *s);
6023
6024 private:
6025     string str;
6026 @};
6027
6028 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
6029 @end example
6030
6031 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
6032 macros are defined in @file{registrar.h}.  They take the name of the class
6033 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
6034 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
6035 the first line after the opening brace of the class definition. The
6036 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
6037 source (at global scope, of course, not inside a function).
6038
6039 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
6040 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
6041 are required.  It also defines a type @code{inherited} which refers to the
6042 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
6043 the class hierarchy.  @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
6044 class with the GiNaC RTTI.
6045
6046 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
6047 class:
6048
6049 @itemize
6050
6051 @item
6052 @code{mystring()}, the default constructor.
6053
6054 @item
6055 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
6056 information needed to reconstruct an object of this class inside an
6057 @code{archive_node}.
6058
6059 @item
6060 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
6061 constructor. This constructs an instance of the class from the information
6062 found in an @code{archive_node}.
6063
6064 @item
6065 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
6066 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
6067 constructor.
6068
6069 @item
6070 @cindex @code{compare_same_type()}
6071 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
6072 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
6073 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
6074 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
6075 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
6076 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
6077 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
6078 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
6079 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
6080 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
6081 defined.
6082
6083 @item
6084 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
6085 which are the two constructors we declared.
6086
6087 @end itemize
6088
6089 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
6090
6091 @example
6092 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
6093 @end example
6094
6095 The golden rule is that in all constructors you have to set the
6096 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
6097 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
6098 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
6099 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
6100 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
6101 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
6102 to the right value manually.
6103
6104 In the default constructor you should set all other member variables to
6105 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
6106 member gets set to an empty string automatically).
6107
6108 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
6109 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
6110 is really simple.  First, the archiving function:
6111
6112 @example
6113 void mystring::archive(archive_node &n) const
6114 @{
6115     inherited::archive(n);
6116     n.add_string("string", str);
6117 @}
6118 @end example
6119
6120 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
6121 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
6122 deem necessary for representing the object into the passed
6123 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
6124 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
6125 file.
6126
6127 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
6128 function:
6129
6130 @example
6131 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
6132 @{
6133     n.find_string("string", str);
6134 @}
6135 @end example
6136
6137 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
6138 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
6139 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
6140 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
6141
6142 Finally, the unarchiving function:
6143
6144 @example
6145 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
6146 @{
6147     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
6148 @}
6149 @end example
6150
6151 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
6152 four lines into your code literally (replacing the class name, of
6153 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
6154 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
6155 to global objects) you don't need a different implementation. For those
6156 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
6157 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
6158 automatically once it is no longer referenced.
6159
6160 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
6161 the string members:
6162
6163 @example
6164 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
6165 @{
6166     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
6167     int cmpval = str.compare(o.str);
6168     if (cmpval == 0)
6169         return 0;
6170     else if (cmpval < 0)
6171         return -1;
6172     else
6173         return 1;
6174 @}
6175 @end example
6176
6177 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
6178 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
6179 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
6180 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
6181 all relevant member variables.
6182
6183 Now the only thing missing is our two new constructors:
6184
6185 @example
6186 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6187 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
6188 @end example
6189
6190 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
6191 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
6192
6193 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
6194 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
6195
6196 @example
6197 ex e = mystring("Hello, world!");
6198 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
6199  // -> 1 (true)
6200
6201 cout << e.bp->class_name() << endl;
6202  // -> mystring
6203 @end example
6204
6205 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
6206
6207 @example
6208 cout << e << endl;
6209  // -> [mystring object]
6210 @end example
6211
6212 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
6213 doesn't yet know how to print itself. This is done in the @code{print()}
6214 member function. Let's say that we wanted to print the string surrounded
6215 by double quotes:
6216
6217 @example
6218 class mystring : public basic
6219 @{
6220     ...
6221 public:
6222     void print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
6223     ...
6224 @};
6225
6226 void mystring::print(const print_context &c, unsigned level) const
6227 @{
6228     // print_context::s is a reference to an ostream
6229     c.s << '\"' << str << '\"';
6230 @}
6231 @end example
6232
6233 The @code{level} argument is only required for container classes to
6234 correctly parenthesize the output. Let's try again to print the expression:
6235
6236 @example
6237 cout << e << endl;
6238  // -> "Hello, world!"
6239 @end example
6240
6241 Much better. The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
6242
6243 @example
6244 e += mystring("GiNaC rulez"); 
6245 cout << e << endl;
6246  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
6247 @end example
6248
6249 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
6250
6251 @example
6252 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
6253 cout << e << endl;
6254  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
6255 @end example
6256
6257 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
6258 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
6259 for your objects.
6260
6261 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
6262
6263 @example
6264 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
6265 cout << e << endl;
6266  // -> "Wow"^2
6267
6268 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
6269 cout << e.expand() << endl;
6270  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
6271 @end example
6272
6273 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
6274 concatenation. You would have to implement this yourself.
6275
6276 @subsection Automatic evaluation
6277
6278 @cindex evaluation
6279 @cindex @code{eval()}
6280 @cindex @code{hold()}
6281 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
6282 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
6283 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
6284 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
6285 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
6286 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
6287
6288 @example
6289 class mystring : public basic
6290 @{
6291     ...
6292 public:
6293     ex eval(int level = 0) const;
6294     ...
6295 @};
6296
6297 ex mystring::eval(int level) const
6298 @{
6299     string new_str;
6300     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
6301         char c = str[i];
6302         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
6303             new_str += tolower(c);
6304         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
6305             new_str += c;
6306     @}
6307
6308     if (new_str.length() == 0)
6309         return 0;
6310     else
6311         return mystring(new_str).hold();
6312 @}
6313 @end example
6314
6315 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
6316 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
6317 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
6318 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
6319 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
6320 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
6321 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
6322 unmodified, use @code{return this->hold();}.
6323
6324 Let's confirm that it works:
6325
6326 @example
6327 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
6328 cout << e << endl;
6329  // -> "helloworld"
6330
6331 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
6332 cout << e << endl;
6333  // -> 3*"wow"
6334 @end example
6335
6336 @subsection Optional member functions
6337
6338 We have implemented only a small set of member functions to make the class
6339 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
6340 required but will make operations with objects of the class more efficient:
6341
6342 @cindex @code{calchash()}
6343 @cindex @code{is_equal_same_type()}
6344 @example
6345 unsigned calchash() const;
6346 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
6347 @end example
6348
6349 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
6350 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
6351 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
6352 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
6353 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
6354 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
6355
6356 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
6357 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
6358 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
6359 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
6360
6361 @subsection Other member functions
6362
6363 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
6364 might want to provide:
6365
6366 @example
6367 bool info(unsigned inf) const;
6368 ex evalf(int level = 0) const;
6369 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
6370 ex derivative(const symbol & s) const;
6371 @end example
6372
6373 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
6374 previous section) you will probably want to override
6375
6376 @cindex @code{let_op()}
6377 @example
6378 size_t nops() cont;
6379 ex op(size_t i) const;
6380 ex & let_op(size_t i);
6381 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
6382 ex map(map_function & f) const;
6383 @end example
6384
6385 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
6386 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
6387 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
6388
6389 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
6390 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
6391 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
6392 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
6393 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
6394 should become a need.
6395
6396 That's it. May the source be with you!
6397
6398
6399 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
6400 @c    node-name, next, previous, up
6401 @chapter A Comparison With Other CAS
6402 @cindex advocacy
6403
6404 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
6405 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
6406 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
6407 disadvantages over these systems.
6408
6409 @menu
6410 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
6411 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
6412 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
6413 @end menu
6414
6415 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
6416 @c    node-name, next, previous, up
6417 @section Advantages
6418
6419 GiNaC has several advantages over traditional Computer
6420 Algebra Systems, like 
6421
6422 @itemize @bullet
6423
6424 @item
6425 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
6426 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
6427 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
6428 in common C++, which is standardized.
6429
6430 @cindex STL
6431 @item
6432 structured data types: you can build up structured data types using
6433 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
6434 using unnamed lists of lists of lists.
6435
6436 @item
6437 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
6438 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
6439 nice for novice programmers, but dangerous.
6440     
6441 @item
6442 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
6443 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
6444 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
6445
6446 @item
6447 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
6448 separating interface and implementation.
6449
6450 @item
6451 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
6452 that it is free and available with source code.  And there are excellent
6453 C++-compilers for free, too.
6454     
6455 @item
6456 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
6457 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
6458 usually only extend on a high level by writing in the language defined
6459 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
6460 fix bugs in a traditional system.
6461
6462 @item
6463 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
6464 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
6465 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
6466 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
6467 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
6468 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
6469 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
6470 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
6471 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
6472 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
6473 FTP-site.
6474
6475 @item
6476 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
6477 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
6478 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
6479 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
6480 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
6481 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
6482 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
6483 system (i.e. @emph{Yacas}).
6484
6485 @item
6486 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
6487 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
6488 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
6489 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
6490 speed with other CAS.
6491
6492 @end itemize
6493
6494
6495 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
6496 @c    node-name, next, previous, up
6497 @section Disadvantages
6498
6499 Of course it also has some disadvantages:
6500
6501 @itemize @bullet
6502
6503 @item
6504 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
6505 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
6506 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
6507 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
6508 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
6509 not planned for the near future).
6510
6511 @item
6512 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
6513 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
6514 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
6515 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
6516 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
6517 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
6518 macros to let the compiler gather all static initializations, which
6519 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
6520 really believe that you need to use a different compiler.  We have
6521 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
6522 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
6523 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
6524 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
6525 yet ANSI compliant, support all needed features.
6526     
6527 @end itemize
6528
6529
6530 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
6531 @c    node-name, next, previous, up
6532 @section Why C++?
6533
6534 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
6535 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
6536 possible), separation between interface and implementation is not
6537 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
6538 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
6539 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
6540 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
6541 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
6542 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
6543 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
6544 any other programming language.
6545
6546
6547 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
6548 @c    node-name, next, previous, up
6549 @appendix Internal Structures
6550
6551 @menu
6552 * Expressions are reference counted::
6553 * Internal representation of products and sums::
6554 @end menu
6555
6556 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
6557 @c    node-name, next, previous, up
6558 @appendixsection Expressions are reference counted
6559
6560 @cindex reference counting
6561 @cindex copy-on-write
6562 @cindex garbage collection
6563 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
6564 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
6565 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
6566 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
6567 skip the rest of this passage.
6568
6569 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
6570 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
6571 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
6572 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
6573 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
6574 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
6575 of code:
6576
6577 @example
6578 #include <iostream>
6579 #include <ginac/ginac.h>
6580 using namespace std;
6581 using namespace GiNaC;
6582
6583 int main()
6584 @{
6585     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6586     ex e1, e2;
6587
6588     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6589     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
6590     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
6591     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
6592     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
6593 @}
6594 @end example
6595
6596 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
6597 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
6598 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
6599 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
6600 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
6601 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
6602 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
6603 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
6604 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
6605 the object it points to too and deletes the object from memory if that
6606 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
6607 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
6608 can be:
6609
6610 @example
6611 @{
6612     symbol x("x"), y("y");
6613
6614     ex e1 = x + 3*y;
6615     ex e2 = pow(e1, 3);
6616     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
6617     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
6618          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
6619          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
6620 @}
6621 @end example
6622
6623 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
6624 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
6625 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
6626 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
6627 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
6628 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
6629 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
6630 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
6631 @code{3*e1^2}.
6632
6633 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
6634 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
6635 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
6636 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
6637 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
6638 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
6639 semantics, we recommend you have a look at the
6640 @uref{http://www.cerfnet.com/~mpcline/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
6641 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
6642 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
6643
6644
6645 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
6646 @c    node-name, next, previous, up
6647 @appendixsection Internal representation of products and sums
6648
6649 @cindex representation
6650 @cindex @code{add}
6651 @cindex @code{mul}
6652 @cindex @code{power}
6653 Although it should be completely transparent for the user of
6654 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
6655 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
6656 unexpanded symbolic expression 
6657 @tex
6658 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
6659 @end tex
6660 @ifnottex
6661 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
6662 @end ifnottex
6663 which could naively be represented by a tree of linear containers for
6664 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
6665 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
6666 fashion:
6667
6668 @image{repnaive}
6669
6670 @cindex pair-wise representation
6671 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
6672 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
6673 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
6674 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
6675 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
6676 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
6677 becomes much more flat:
6678
6679 @image{reppair}
6680
6681 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
6682 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
6683 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
6684 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
6685 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
6686 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
6687 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
6688 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
6689 representation, however, since they are still carrying a trivial
6690 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
6691 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
6692 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
6693 representation for
6694 @tex
6695 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
6696 @end tex
6697 @ifnottex
6698 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
6699 @end ifnottex
6700
6701 @image{repreal}
6702
6703 @cindex radical
6704 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
6705 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
6706 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
6707 same abstract class: the data representation is the same, only the
6708 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
6709 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
6710 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
6711
6712
6713 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
6714 @c    node-name, next, previous, up
6715 @appendix Package Tools
6716
6717 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
6718 setting the correct command line options for the compiler and linker
6719 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
6720
6721 @menu
6722 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
6723 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
6724 @end menu
6725
6726
6727 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
6728 @c    node-name, next, previous, up
6729 @section @command{ginac-config}
6730 @cindex ginac-config
6731
6732 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
6733 the compiler and linker command line options required to compile and
6734 link a program with the GiNaC library.
6735
6736 @command{ginac-config} takes the following flags:
6737
6738 @table @samp
6739 @item --version
6740 Prints out the version of GiNaC installed.
6741 @item --cppflags
6742 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
6743 @item --libs
6744 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
6745 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
6746 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
6747 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
6748 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
6749 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
6750 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
6751 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
6752 @end table
6753
6754 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
6755 script, as described below. It, however, can also be used directly from
6756 the command line using backquotes to compile a simple program. For
6757 example:
6758
6759 @example
6760 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
6761 @end example
6762
6763 This command line might expand to (for example):
6764
6765 @example
6766 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
6767   -lginac -lcln -lstdc++
6768 @end example
6769
6770 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
6771 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
6772
6773
6774 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
6775 @c    node-name, next, previous, up
6776 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
6777 @cindex AM_PATH_GINAC
6778
6779 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
6780 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
6781
6782 @example
6783 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
6784 @end example
6785
6786 This macro:
6787
6788 @itemize @bullet
6789
6790 @item
6791 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
6792 either found in the user's path, or from the environment variable
6793 @env{GINACLIB_CONFIG}.
6794
6795 @item
6796 Tests the installed libraries to make sure that their version
6797 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
6798 if not specified)
6799
6800 @item
6801 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
6802 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
6803 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
6804 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
6805 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
6806
6807 @item
6808 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
6809 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
6810
6811 @end itemize
6812
6813 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
6814 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
6815 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
6816 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
6817 aclocal the @samp{-I} option when running it.
6818
6819 @menu
6820 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
6821 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
6822 @end menu
6823
6824
6825 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
6826 @c    node-name, next, previous, up
6827 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
6828
6829 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
6830 the configure script.
6831
6832 Notes:
6833
6834 @itemize @bullet
6835
6836 @item
6837 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
6838 to be found by your system's dynamic linker.
6839   
6840 This is generally done by
6841
6842 @display
6843 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
6844 @end display
6845
6846 or by
6847    
6848 @display
6849 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
6850 @end display
6851
6852 or, as a last resort, 
6853  
6854 @display
6855 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
6856 running configure, for instance:
6857
6858 @example
6859 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
6860 @end example
6861 @end display
6862
6863 @item
6864 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
6865 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
6866 name of the executable
6867
6868 @item
6869 If you move the GiNaC package from its installed location,
6870 you will either need to modify @command{ginac-config} script
6871 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
6872
6873 @end itemize
6874
6875 Advanced note:
6876
6877 @itemize @bullet
6878 @item
6879 configure flags
6880   
6881 @example
6882 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
6883 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
6884 @end example
6885
6886 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
6887 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
6888 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
6889 @end itemize
6890
6891
6892 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
6893 @c    node-name, next, previous, up
6894 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
6895
6896 The following shows how to build a simple package using automake
6897 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
6898
6899 @example
6900 #include <ginac/ginac.h>
6901
6902 int main()
6903 @{
6904     GiNaC::symbol x("x");
6905     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
6906     std::cout << "Derivative of " << a 
6907               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
6908     return 0;
6909 @}
6910 @end example
6911
6912 You should first read the introductory portions of the automake
6913 Manual, if you are not already familiar with it.
6914
6915 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
6916 configure script:
6917
6918 @example
6919 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
6920 AC_INIT(simple.cpp)
6921 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
6922
6923 AC_PROG_CXX
6924 AC_PROG_INSTALL
6925 AC_LANG_CPLUSPLUS
6926
6927 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
6928   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
6929   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
6930 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
6931
6932 AC_OUTPUT(Makefile)
6933 @end example
6934
6935 The only command in this which is not standard for automake
6936 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
6937
6938 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
6939 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
6940 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
6941 the error message `need to have GiNaC installed'
6942
6943 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
6944
6945 @example
6946 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
6947 bin_PROGRAMS = simple
6948 simple_SOURCES = simple.cpp
6949 @end example
6950
6951 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
6952 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
6953 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
6954 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
6955 want to specify them on a per-program basis: for instance by
6956 adding the lines:
6957
6958 @example
6959 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
6960 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
6961 @end example
6962
6963 to the @file{Makefile.am}.
6964
6965 To try this example out, create a new directory and add the three
6966 files above to it.
6967
6968 Now execute the following commands:
6969
6970 @example
6971 $ automake --add-missing
6972 $ aclocal
6973 $ autoconf
6974 @end example
6975
6976 You now have a package that can be built in the normal fashion
6977
6978 @example
6979 $ ./configure
6980 $ make
6981 $ make install
6982 @end example
6983
6984
6985 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
6986 @c    node-name, next, previous, up
6987 @appendix Bibliography
6988
6989 @itemize @minus{}
6990
6991 @item
6992 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
6993
6994 @item
6995 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
6996
6997 @item
6998 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
6999
7000 @item
7001 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
7002
7003 @item
7004 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
7005 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
7006
7007 @item
7008 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
7009 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
7010 Academic Press, London
7011
7012 @item
7013 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
7014 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
7015
7016 @item
7017 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
7018 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
7019
7020 @item
7021 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
7022 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
7023
7024 @item
7025 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
7026
7027 @end itemize
7028
7029
7030 @node Concept Index, , Bibliography, Top
7031 @c    node-name, next, previous, up
7032 @unnumbered Concept Index
7033
7034 @printindex cp
7035
7036 @bye