]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
Index renaming issues, sped up simplify_indexed, used defined NC-objects
[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) 1999-2005 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, Jens Vollinga
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2005 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{} 1999-2005 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
421 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
422
423 @cindex fsolve
424 @example
425 > Digits=50:
426 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
427 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
428 > f=exp(sin(x))-x:
429 > X=fsolve(f,x,-10,10);
430 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
431 > subs(f,x==X);
432 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
433 @end example
434
435 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
436 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
437 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
438 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
439 point values.
440
441 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
442 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
443 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
444 metric system is now easy:
445
446 @example
447 > in=.0254*m;
448 0.0254*m
449 > lb=.45359237*kg;
450 0.45359237*kg
451 > 200*lb/in^2;
452 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
453 @end example
454
455
456 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
457 @c    node-name, next, previous, up
458 @chapter Installation
459
460 @cindex CLN
461 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
462 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
463 installation.
464
465 @menu
466 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
467 * Configuration::                How to configure GiNaC.
468 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
469 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
470 @end menu
471
472
473 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Prerequisites
476
477 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
478 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
479 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
480 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
481 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
482 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
483 process as well, since some of the source files are automatically
484 generated by Perl scripts.  Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic Concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The Class Hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting Expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1159 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1160 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1161 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1162
1163
1164 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1165 @c    node-name, next, previous, up
1166 @section Numbers
1167 @cindex @code{numeric} (class)
1168
1169 @cindex GMP
1170 @cindex CLN
1171 @cindex rational
1172 @cindex fraction
1173 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1174 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1175 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1176 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1177 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1178 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1179 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1180 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1181 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1182 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1183 several useful things: First, it introduces the complex number field
1184 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1185 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1186 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1187 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1188 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1189 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1190 calculation of some useful constants.
1191
1192 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1193 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1194 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1195 integers, construction from C-float and construction from a string:
1196
1197 @example
1198 #include <iostream>
1199 #include <ginac/ginac.h>
1200 using namespace GiNaC;
1201
1202 int main()
1203 @{
1204     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1205     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1206     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1207     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1208     // Trott's constant in scientific notation:
1209     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1210     
1211     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1212     ...
1213 @end example
1214
1215 @cindex @code{I}
1216 @cindex complex numbers
1217 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1218 name @code{I}:
1219
1220 @example
1221     ...
1222     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1223     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1224 @}
1225 @end example
1226
1227 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1228 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1229 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1230 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1231 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1232 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1233 also.
1234
1235 @cindex @code{Digits}
1236 @cindex accuracy
1237 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1238 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1239 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1240 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1241 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1242 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1243 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1244 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1245 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1246 digits:
1247
1248 @example
1249 #include <iostream>
1250 #include <ginac/ginac.h>
1251 using namespace std;
1252 using namespace GiNaC;
1253
1254 void foo()
1255 @{
1256     numeric three(3.0), one(1.0);
1257     numeric x = one/three;
1258
1259     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1260     cout << x << endl;
1261     cout << Pi.evalf() << endl;
1262 @}
1263
1264 int main()
1265 @{
1266     foo();
1267     Digits = 60;
1268     foo();
1269     return 0;
1270 @}
1271 @end example
1272
1273 The above example prints the following output to screen:
1274
1275 @example
1276 in 17 digits:
1277 0.33333333333333333334
1278 3.1415926535897932385
1279 in 60 digits:
1280 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1281 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1282 @end example
1283
1284 @cindex rounding
1285 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1286 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1287 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1288 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1289 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1290 architectures with different word size, the above output might even
1291 differ with regard to actually computed digits.
1292
1293 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1294 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1295 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1296
1297 @subsection Tests on numbers
1298
1299 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1300 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1301 kind of information from them like asking whether that number is
1302 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1303 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1304 certain CLN functions.)
1305
1306 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1307 some multiple of its denominator and test what comes out:
1308
1309 @example
1310 #include <iostream>
1311 #include <ginac/ginac.h>
1312 using namespace std;
1313 using namespace GiNaC;
1314
1315 // some very important constants:
1316 const numeric twentyone(21);
1317 const numeric ten(10);
1318 const numeric five(5);
1319
1320 int main()
1321 @{
1322     numeric answer = twentyone;
1323
1324     answer /= five;
1325     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1326     answer *= ten;
1327     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1328 @}
1329 @end example
1330
1331 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1332 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1333 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1334 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1335 the result is automatically converted to a pure integer again.
1336 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1337 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1338 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1339 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1340 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1341 can be applied is listed in the following table.
1342
1343 @cartouche
1344 @multitable @columnfractions .30 .70
1345 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1346 @item @code{.is_zero()}
1347 @tab @dots{}equal to zero
1348 @item @code{.is_positive()}
1349 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1350 @item @code{.is_integer()}
1351 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1352 @item @code{.is_pos_integer()}
1353 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1354 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1355 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1356 @item @code{.is_even()}
1357 @tab @dots{}an even integer
1358 @item @code{.is_odd()}
1359 @tab @dots{}an odd integer
1360 @item @code{.is_prime()}
1361 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1362 @item @code{.is_rational()}
1363 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1364 @item @code{.is_real()}
1365 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1366 @item @code{.is_cinteger()}
1367 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1368 @item @code{.is_crational()}
1369 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1370 @end multitable
1371 @end cartouche
1372
1373 @subsection Numeric functions
1374
1375 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1376 evaluated immediately:
1377
1378 @cartouche
1379 @multitable @columnfractions .30 .70
1380 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1381 @item @code{inverse(z)}
1382 @tab returns @math{1/z}
1383 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1384 @item @code{pow(a, b)}
1385 @tab exponentiation @math{a^b}
1386 @item @code{abs(z)}
1387 @tab absolute value
1388 @item @code{real(z)}
1389 @tab real part
1390 @cindex @code{real()}
1391 @item @code{imag(z)}
1392 @tab imaginary part
1393 @cindex @code{imag()}
1394 @item @code{csgn(z)}
1395 @tab complex sign (returns an @code{int})
1396 @item @code{numer(z)}
1397 @tab numerator of rational or complex rational number
1398 @item @code{denom(z)}
1399 @tab denominator of rational or complex rational number
1400 @item @code{sqrt(z)}
1401 @tab square root
1402 @item @code{isqrt(n)}
1403 @tab integer square root
1404 @cindex @code{isqrt()}
1405 @item @code{sin(z)}
1406 @tab sine
1407 @item @code{cos(z)}
1408 @tab cosine
1409 @item @code{tan(z)}
1410 @tab tangent
1411 @item @code{asin(z)}
1412 @tab inverse sine
1413 @item @code{acos(z)}
1414 @tab inverse cosine
1415 @item @code{atan(z)}
1416 @tab inverse tangent
1417 @item @code{atan(y, x)}
1418 @tab inverse tangent with two arguments
1419 @item @code{sinh(z)}
1420 @tab hyperbolic sine
1421 @item @code{cosh(z)}
1422 @tab hyperbolic cosine
1423 @item @code{tanh(z)}
1424 @tab hyperbolic tangent
1425 @item @code{asinh(z)}
1426 @tab inverse hyperbolic sine
1427 @item @code{acosh(z)}
1428 @tab inverse hyperbolic cosine
1429 @item @code{atanh(z)}
1430 @tab inverse hyperbolic tangent
1431 @item @code{exp(z)}
1432 @tab exponential function
1433 @item @code{log(z)}
1434 @tab natural logarithm
1435 @item @code{Li2(z)}
1436 @tab dilogarithm
1437 @item @code{zeta(z)}
1438 @tab Riemann's zeta function
1439 @item @code{tgamma(z)}
1440 @tab gamma function
1441 @item @code{lgamma(z)}
1442 @tab logarithm of gamma function
1443 @item @code{psi(z)}
1444 @tab psi (digamma) function
1445 @item @code{psi(n, z)}
1446 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1447 @item @code{factorial(n)}
1448 @tab factorial function @math{n!}
1449 @item @code{doublefactorial(n)}
1450 @tab double factorial function @math{n!!}
1451 @cindex @code{doublefactorial()}
1452 @item @code{binomial(n, k)}
1453 @tab binomial coefficients
1454 @item @code{bernoulli(n)}
1455 @tab Bernoulli numbers
1456 @cindex @code{bernoulli()}
1457 @item @code{fibonacci(n)}
1458 @tab Fibonacci numbers
1459 @cindex @code{fibonacci()}
1460 @item @code{mod(a, b)}
1461 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1462 @cindex @code{mod()}
1463 @item @code{smod(a, b)}
1464 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1465 @cindex @code{smod()}
1466 @item @code{irem(a, b)}
1467 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1468 @cindex @code{irem()}
1469 @item @code{irem(a, b, q)}
1470 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1471 @item @code{iquo(a, b)}
1472 @tab integer quotient
1473 @cindex @code{iquo()}
1474 @item @code{iquo(a, b, r)}
1475 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1476 @item @code{gcd(a, b)}
1477 @tab greatest common divisor
1478 @item @code{lcm(a, b)}
1479 @tab least common multiple
1480 @end multitable
1481 @end cartouche
1482
1483 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1484 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1485 as polynomial algorithms.
1486
1487 @subsection Converting numbers
1488
1489 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1490 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1491 class provides a couple of methods for this purpose:
1492
1493 @cindex @code{to_int()}
1494 @cindex @code{to_long()}
1495 @cindex @code{to_double()}
1496 @cindex @code{to_cl_N()}
1497 @example
1498 int numeric::to_int() const;
1499 long numeric::to_long() const;
1500 double numeric::to_double() const;
1501 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1502 @end example
1503
1504 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1505 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1506 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1507 rational number will return a floating-point approximation. Both
1508 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1509 part of complex numbers.
1510
1511
1512 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1513 @c    node-name, next, previous, up
1514 @section Constants
1515 @cindex @code{constant} (class)
1516
1517 @cindex @code{Pi}
1518 @cindex @code{Catalan}
1519 @cindex @code{Euler}
1520 @cindex @code{evalf()}
1521 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1522 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1523
1524 The predefined known constants are:
1525
1526 @cartouche
1527 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1528 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1529 @item @code{Pi}
1530 @tab Archimedes' constant
1531 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1532 @item @code{Catalan}
1533 @tab Catalan's constant
1534 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1535 @item @code{Euler}
1536 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1537 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1538 @end multitable
1539 @end cartouche
1540
1541
1542 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1543 @c    node-name, next, previous, up
1544 @section Sums, products and powers
1545 @cindex polynomial
1546 @cindex @code{add}
1547 @cindex @code{mul}
1548 @cindex @code{power}
1549
1550 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1551 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1552 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1553 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1554 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1555 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1556 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1557 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1558
1559 @example
1560     ...
1561     symbol a("a"), b("b");
1562     ex MyTerm = 1+a*b;
1563     ...
1564 @end example
1565
1566 @cindex @code{pow()}
1567 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1568 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1569 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1570 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1571 have several counterintuitive and undesired effects:
1572
1573 @itemize @bullet
1574 @item
1575 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1576 @item
1577 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1578 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1579 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1580 @item
1581 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1582 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1583 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1584 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1585 has requested @code{2^3}.)
1586 @end itemize
1587
1588 @cindex @command{ginsh}
1589 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1590 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1591 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1592 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1593 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1594 not exist at all in C++).
1595
1596 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1597 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1598 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1599 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1600 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1601 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1602 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1603 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1604 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1605 @code{x} negative.
1606
1607 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1608 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1609 and safe simplifications are carried out like transforming
1610 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1611
1612
1613 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1614 @c    node-name, next, previous, up
1615 @section Lists of expressions
1616 @cindex @code{lst} (class)
1617 @cindex lists
1618 @cindex @code{nops()}
1619 @cindex @code{op()}
1620 @cindex @code{append()}
1621 @cindex @code{prepend()}
1622 @cindex @code{remove_first()}
1623 @cindex @code{remove_last()}
1624 @cindex @code{remove_all()}
1625
1626 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1627 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1628 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1629 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1630 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1631
1632 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1633 expressions:
1634
1635 @example
1636 @{
1637     symbol x("x"), y("y");
1638     lst l;
1639     l = x, 2, y, x+y;
1640     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1641     // in that order
1642     ...
1643 @end example
1644
1645 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1646 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1647
1648 @example
1649     ...
1650     // This produces the same list 'l' as above:
1651     // lst l(x, 2, y, x+y);
1652     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1653     ...
1654 @end example
1655
1656 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1657 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1658 individual elements:
1659
1660 @example
1661     ...
1662     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1663     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1664     ...
1665 @end example
1666
1667 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1668 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1669 sequential access to the elements of a list is possible with the
1670 iterator types provided by the @code{lst} class:
1671
1672 @example
1673 typedef ... lst::const_iterator;
1674 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1675 lst::const_iterator lst::begin() const;
1676 lst::const_iterator lst::end() const;
1677 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1678 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1679 @end example
1680
1681 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1682
1683 @example
1684     ...
1685     // O(N)
1686     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1687         cout << *i << endl;
1688     ...
1689 @end example
1690
1691 which is one order faster than
1692
1693 @example
1694     ...
1695     // O(N^2)
1696     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1697         cout << l.op(i) << endl;
1698     ...
1699 @end example
1700
1701 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1702 the C++ standard library:
1703
1704 @example
1705     ...
1706     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1707     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1708
1709     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1710     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1711     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1712     ...
1713 @end example
1714
1715 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1716 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1717
1718 @example
1719     ...
1720     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1721     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1722     ...
1723 @end example
1724
1725 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1726 and @code{prepend()} methods:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1731     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1736 and @code{remove_last()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1741     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1742     ...
1743 @end example
1744
1745 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1746
1747 @example
1748     ...
1749     l.remove_all();     // l is now empty
1750     ...
1751 @end example
1752
1753 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1754
1755 @example
1756     ...
1757     lst l1, l2;
1758     l1 = x, 2, y, x+y;
1759     l2 = 2, x+y, x, y;
1760     l1.sort();
1761     l2.sort();
1762     // l1 and l2 are now equal
1763     ...
1764 @end example
1765
1766 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1767 elements with @code{unique()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     lst l3;
1772     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1773     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1774 @}
1775 @end example
1776
1777
1778 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1779 @c    node-name, next, previous, up
1780 @section Mathematical functions
1781 @cindex @code{function} (class)
1782 @cindex trigonometric function
1783 @cindex hyperbolic function
1784
1785 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1786 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1787 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1788
1789 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1790 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1791 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1792 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1793 the next example, showing how a function returns itself twice and
1794 finally an expression that may be really useful:
1795
1796 @cindex Gamma function
1797 @cindex @code{subs()}
1798 @example
1799     ...
1800     symbol x("x"), y("y");    
1801     ex foo = x+y/2;
1802     cout << tgamma(foo) << endl;
1803      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1804     ex bar = foo.subs(y==1);
1805     cout << tgamma(bar) << endl;
1806      // -> tgamma(x+1/2)
1807     ex foobar = bar.subs(x==7);
1808     cout << tgamma(foobar) << endl;
1809      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1810     ...
1811 @end example
1812
1813 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1814 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1815 this.
1816
1817 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1818 functions, where the argument list is templated.  This means that
1819 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1820 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1821 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1822 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1823 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1824 point number of class @code{numeric} you should call
1825 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1826 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1827 wrapped inside an @code{ex}.
1828
1829
1830 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1831 @c    node-name, next, previous, up
1832 @section Relations
1833 @cindex @code{relational} (class)
1834
1835 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1836 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1837 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1838 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1839 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1840 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1841
1842 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1843 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1844 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1845 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1846 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1847 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1848 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1849 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1850 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1851 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1852 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1853 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1854 @code{expand()} must be called explicitly.
1855
1856 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1857 @c    node-name, next, previous, up
1858 @section Integrals
1859 @cindex @code{integral} (class)
1860
1861 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1862 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1863 1, you would write this as
1864 @example
1865 integral(x, 0, 1, x*x)
1866 @end example
1867 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1868 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1869 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1870 can be evaluated symbolically by calling the
1871 @example
1872 .eval_integ()
1873 @end example
1874 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1875 @example
1876 .evalf()
1877 @end example
1878 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1879 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1880 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1881 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1882 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1883 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1884 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1885 integrals is determined by the static member variable
1886 @example
1887 ex integral::relative_integration_error
1888 @end example
1889 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1890 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1891 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1892 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1893 variable
1894 @example
1895 int integral::max_integration_level
1896 @end example
1897 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1898 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1899 evaluation, is also available as
1900 @example
1901 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1902 const ex & error)
1903 @end example
1904 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1905 last parameter of the function is optional and defaults to the
1906 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1907 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1908 a lookup table is used.
1909
1910 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1911 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1912 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1913 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1914 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1915 with respect to the integration variable.
1916
1917 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1918 @c    node-name, next, previous, up
1919 @section Matrices
1920 @cindex @code{matrix} (class)
1921
1922 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1923 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1924 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1925 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1926
1927 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1928 elements. The constructor
1929
1930 @example
1931 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1932 @end example
1933
1934 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1935 set to zero.
1936
1937 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1938 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1939 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1940
1941 @example
1942 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1943 @end example
1944
1945 The function
1946
1947 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1948 @example
1949 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1950 @end example
1951
1952 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1953
1954 There is also a set of functions for creating some special types of
1955 matrices:
1956
1957 @cindex @code{diag_matrix()}
1958 @cindex @code{unit_matrix()}
1959 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1960 @example
1961 ex diag_matrix(const lst & l);
1962 ex unit_matrix(unsigned x);
1963 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1964 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1965 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1966                    const string & tex_base_name);
1967 @end example
1968
1969 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1970 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1971 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1972 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1973 and the position of each element in the matrix.
1974
1975 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1976 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1977 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1978 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1979 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1980 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1981
1982 @cindex @code{sub_matrix()}
1983 @cindex @code{reduced_matrix()}
1984 @example
1985 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1986 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1987 @end example
1988
1989 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
1990 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
1991 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
1992 that specify which row and column to remove:
1993
1994 @example
1995 @{
1996     matrix m(3,3);
1997     m = 11, 12, 13,
1998         21, 22, 23,
1999         31, 32, 33;
2000     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2001     // -> [[11,13],[31,33]]
2002     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2003     // -> [[22,23],[32,33]]
2004 @}
2005 @end example
2006
2007 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2008 operator:
2009
2010 @example
2011 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2012 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2013 @end example
2014
2015 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2016 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2017 @samp{[]} is not available.
2018
2019 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2020
2021 @example
2022 @{
2023     symbol a("a"), b("b");
2024
2025     matrix M(2, 2);
2026     M = a, 0,
2027         0, b;
2028     cout << M << endl;
2029      // -> [[a,0],[0,b]]
2030
2031     matrix M2(2, 2);
2032     M2(0, 0) = a;
2033     M2(1, 1) = b;
2034     cout << M2 << endl;
2035      // -> [[a,0],[0,b]]
2036
2037     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2038      // -> [[a,0],[0,b]]
2039
2040     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2041      // -> [[a,0],[0,b]]
2042
2043     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2044      // -> [[a,0],[0,b]]
2045
2046     cout << unit_matrix(3) << endl;
2047      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2048
2049     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2050      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2051 @}
2052 @end example
2053
2054 @cindex @code{transpose()}
2055 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2056 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2057
2058 @example
2059 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2060 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2061 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2062 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2063 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2064 matrix matrix::transpose() const;
2065 @end example
2066
2067 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2068 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2069 and @math{C}:
2070
2071 @example
2072 @{
2073     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2074     A =  1, 2,
2075          3, 4;
2076     B = -1, 0,
2077          2, 1;
2078     C =  8, 4,
2079          2, 1;
2080
2081     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2082     cout << result << endl;
2083      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2084     ...
2085 @}
2086 @end example
2087
2088 @cindex @code{evalm()}
2089 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2090 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2091 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2092 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2093 method
2094
2095 @example
2096 ex ex::evalm() const;
2097 @end example
2098
2099 to obtain the result:
2100
2101 @example
2102 @{
2103     ...
2104     ex e = A*B - 2*C;
2105     cout << e << endl;
2106      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2107     cout << e.evalm() << endl;
2108      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2109     ...
2110 @}
2111 @end example
2112
2113 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2114 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2115 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2116 dealing with non-commutative expressions.
2117
2118 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2119 to perform the arithmetic:
2120
2121 @example
2122 @{
2123     ...
2124     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2125     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2126     cout << e << endl;
2127      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2128     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2129      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2130 @}
2131 @end example
2132
2133 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2134 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2135 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2136 more information about using matrices with indices, and about indices in
2137 general.
2138
2139 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2140 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2141
2142 @cindex @code{determinant()}
2143 @cindex @code{trace()}
2144 @cindex @code{charpoly()}
2145 @cindex @code{rank()}
2146 @example
2147 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2148 ex matrix::trace() const;
2149 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2150 unsigned matrix::rank() const;
2151 @end example
2152
2153 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2154 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2155 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2156 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2157 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2158 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2159 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2160 quickly.
2161
2162 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2163 @cindex @code{solve()}
2164 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2165 method and linear systems may be solved with:
2166
2167 @example
2168 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2169                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2170 @end example
2171
2172 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2173 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2174 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2175 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2176 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2177 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2178 overdetermined, an exception is thrown.
2179
2180
2181 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2182 @c    node-name, next, previous, up
2183 @section Indexed objects
2184
2185 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2186 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2187 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2188 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2189
2190 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2191 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2192 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2193 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2194
2195 @cindex @code{idx} (class)
2196 @cindex @code{indexed} (class)
2197 @subsection Indexed quantities and their indices
2198
2199 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2200 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2201
2202 @itemize @bullet
2203
2204 @cindex contravariant
2205 @cindex covariant
2206 @cindex variance
2207 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2208 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2209 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2210 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2211 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2212 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2213
2214 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2215 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2216 one or more indices.
2217
2218 @end itemize
2219
2220 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2221 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2222 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2223 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2224 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2225 not visible in the output.
2226
2227 A simple example shall illustrate the concepts:
2228
2229 @example
2230 #include <iostream>
2231 #include <ginac/ginac.h>
2232 using namespace std;
2233 using namespace GiNaC;
2234
2235 int main()
2236 @{
2237     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2238     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2239
2240     symbol A("A");
2241     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2242      // -> A.i.j
2243     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2244      // -> A.i[3].j[3]
2245     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2246     ...
2247 @end example
2248
2249 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2250 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2251 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2252 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2253 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2254 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2255 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2256 @code{j}.
2257
2258 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2259 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2260 as shown above.
2261
2262 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2263 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2264 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2265 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2266 correct and will raise an exception:
2267
2268 @example
2269 symbol i("i"), j("j");
2270 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2271 @end example
2272
2273 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2274 be numeric, and index dimensions symbolic:
2275
2276 @example
2277     ...
2278     symbol B("B"), dim("dim");
2279     cout << 4 * indexed(A, i)
2280           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2281      // -> B.j.2.i+4*A.i
2282     ...
2283 @end example
2284
2285 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2286 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2287 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2288 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2289 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2290
2291 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2292 arbitrary expressions:
2293
2294 @example
2295     ...
2296     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2297      // -> (B+A).(1+2*i)
2298     ...
2299 @end example
2300
2301 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2302 get an error message from this but you will probably not be able to do
2303 anything useful with it.
2304
2305 @cindex @code{get_value()}
2306 @cindex @code{get_dimension()}
2307 The methods
2308
2309 @example
2310 ex idx::get_value();
2311 ex idx::get_dimension();
2312 @end example
2313
2314 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2315 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2316 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2317 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2318
2319 There are also the methods
2320
2321 @example
2322 bool idx::is_numeric();
2323 bool idx::is_symbolic();
2324 bool idx::is_dim_numeric();
2325 bool idx::is_dim_symbolic();
2326 @end example
2327
2328 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2329 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2330 About Expressions}) returns information about the index value.
2331
2332 @cindex @code{varidx} (class)
2333 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2334
2335 @example
2336     ...
2337     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2338     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2339     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2340
2341     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2342      // -> A~mu~nu
2343     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2344      // -> A.mu~nu
2345     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2346      // -> A.mu~nu
2347     ...
2348 @end example
2349
2350 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2351 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2352 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2353 constructor. The two methods
2354
2355 @example
2356 bool varidx::is_covariant();
2357 bool varidx::is_contravariant();
2358 @end example
2359
2360 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2361 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2362 method
2363
2364 @example
2365 ex varidx::toggle_variance();
2366 @end example
2367
2368 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2369 variance. By using it you only have to define the index once.
2370
2371 @cindex @code{spinidx} (class)
2372 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2373 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2374
2375 @example
2376     ...
2377     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2378     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2379                                             // contravariant, undotted
2380     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2381     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2382     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2383
2384     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2385      // -> K~C~D
2386     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2387      // -> K.C~*D
2388     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2389      // -> K.*D~D
2390     ...
2391 @end example
2392
2393 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2394 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2395 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2396 methods
2397
2398 @example
2399 bool spinidx::is_dotted();
2400 bool spinidx::is_undotted();
2401 @end example
2402
2403 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2404 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2405 Finally, the two methods
2406
2407 @example
2408 ex spinidx::toggle_dot();
2409 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2410 @end example
2411
2412 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2413 and the same or opposite variance.
2414
2415 @subsection Substituting indices
2416
2417 @cindex @code{subs()}
2418 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2419 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2420 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2421 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2422
2423 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2424 by another index or expression:
2425
2426 @example
2427     ...
2428     ex e = indexed(A, mu_co);
2429     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2430      // -> A.mu becomes A~nu
2431     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2432      // -> A.mu becomes A~0
2433     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2434      // -> A.mu becomes A.0
2435     ...
2436 @end example
2437
2438 The third example shows that trying to replace an index with something that
2439 is not an index will substitute the index value instead.
2440
2441 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2442 another expression:
2443
2444 @example
2445     ...
2446     ex e = indexed(A, mu_co);
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A.nu
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A.0
2451     ...
2452 @end example
2453
2454 As you see, with the second method only the value of the index will get
2455 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2456 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2457 whole index by another one with the new dimension.
2458
2459 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2460 expected:
2461
2462 @example
2463     ...
2464     ex e = indexed(A, mu_co);
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2466      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2467     ...
2468 @end example
2469
2470 @subsection Symmetries
2471 @cindex @code{symmetry} (class)
2472 @cindex @code{sy_none()}
2473 @cindex @code{sy_symm()}
2474 @cindex @code{sy_anti()}
2475 @cindex @code{sy_cycl()}
2476
2477 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2478 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2479 that is constructed with the helper functions
2480
2481 @example
2482 symmetry sy_none(...);
2483 symmetry sy_symm(...);
2484 symmetry sy_anti(...);
2485 symmetry sy_cycl(...);
2486 @end example
2487
2488 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2489 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2490 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2491 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2492 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2493 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2494 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2495 all indices.
2496
2497 Here are some examples of symmetry definitions:
2498
2499 @example
2500     ...
2501     // No symmetry:
2502     e = indexed(A, i, j);
2503     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2504     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2505
2506     // Symmetric in all three indices:
2507     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2508     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2509     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2510                                                // different canonical order
2511
2512     // Symmetric in the first two indices only:
2513     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2514     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2515
2516     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2517     // be contiguous):
2518     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2519     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2520
2521     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2522     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2523     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2524     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2525
2526     // Cyclic symmetry in all three indices:
2527     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2528     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2529
2530     // The following examples are invalid constructions that will throw
2531     // an exception at run time.
2532
2533     // An index may not appear multiple times:
2534     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2535     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2536
2537     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2538     // same number of indices:
2539     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2540
2541     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2542     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2543     ...
2544 @end example
2545
2546 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2547 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2548 full symmetry in the first six indices you would write
2549 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2550
2551 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2552 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2553
2554 @example
2555     ...
2556     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2557           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2558      // -> 2*A.j.i
2559     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2560           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2561      // -> 0
2562     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2563           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2564      // -> 0
2565     ...
2566 @end example
2567
2568 @cindex @code{get_free_indices()}
2569 @cindex dummy index
2570 @subsection Dummy indices
2571
2572 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2573 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2574 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2575 dummy nor free indices.
2576
2577 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2578 class and their value must be the same single symbol (an index like
2579 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2580 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2581 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2582
2583 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2584 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2585 of a sum are consistent:
2586
2587 @example
2588 @{
2589     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2590
2591     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2592     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2593
2594     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2595     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2596      // -> (.i,.k)
2597      // 'j' and 'l' are dummy indices
2598
2599     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2600     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2601
2602     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2603       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2604     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2605      // -> (~mu,~rho)
2606      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2607
2608     e = indexed(A, mu, mu);
2609     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2610      // -> (~mu)
2611      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2612      // variance
2613
2614     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2615     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2616      // this will throw an exception:
2617      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2618 @}
2619 @end example
2620
2621 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2622 A dummy index summation like 
2623 @tex
2624 $ a_i b^i$
2625 @end tex
2626 @ifnottex
2627 a.i b~i
2628 @end ifnottex
2629 can be expanded for indices with numeric
2630 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2631 @tex
2632 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2633 @end tex
2634 @ifnottex
2635 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2636 @end ifnottex
2637 This is performed by the function
2638
2639 @example
2640     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2641 @end example
2642
2643 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2644 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2645 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2646 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2647 @tex
2648 $ a_i b^i$
2649 @end tex
2650 @ifnottex
2651 a.i b~i
2652 @end ifnottex
2653 will be expanded to
2654 @tex
2655 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2656 @end tex
2657 @ifnottex
2658 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2659 @end ifnottex
2660
2661
2662 @cindex @code{simplify_indexed()}
2663 @subsection Simplifying indexed expressions
2664
2665 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2666 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2667 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2668 there is the method
2669
2670 @example
2671 ex ex::simplify_indexed();
2672 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2673 @end example
2674
2675 that performs some more expensive operations:
2676
2677 @itemize
2678 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2679   @code{get_free_indices()} does
2680 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2681   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2682 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2683   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2684   next section)
2685 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2686   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2687 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2688   of two tensors with a user-defined value
2689 @end itemize
2690
2691 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2692 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2693 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2694
2695 @example
2696 @{
2697     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2698     idx i(i_sym, 3);
2699
2700     scalar_products sp;
2701     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2702     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2703     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2704
2705     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2706     cout << e << endl;
2707      // -> (B+A).i*(A+C).i
2708
2709     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2710          << endl;
2711      // -> 4+C.i*B.i
2712 @}
2713 @end example
2714
2715 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2716 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2717 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2718 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2719 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2720 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2721 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2722 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2723
2724 @cindex @code{expand()}
2725 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2726 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2727 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2728
2729 @cindex @code{tensor} (class)
2730 @subsection Predefined tensors
2731
2732 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2733 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2734 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2735 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2736 indices are specified).
2737
2738 @cindex @code{delta_tensor()}
2739 @subsubsection Delta tensor
2740
2741 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2742 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2743 @code{delta_tensor()}:
2744
2745 @example
2746 @{
2747     symbol A("A"), B("B");
2748
2749     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2750         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2751
2752     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2753          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2754     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2755      // -> B.i.j*A.i.j
2756
2757     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2758      // -> 3
2759 @}
2760 @end example
2761
2762 @cindex @code{metric_tensor()}
2763 @subsubsection General metric tensor
2764
2765 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2766 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2767 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2768 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2769
2770 @example
2771 @{
2772     symbol A("A");
2773
2774     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2775
2776     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2777     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2778      // -> A~mu~rho
2779
2780     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2781     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2782      // -> g~mu~rho
2783
2784     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2785       * metric_tensor(nu, rho);
2786     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2787      // -> delta.mu~rho
2788
2789     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2790       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2791         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2792     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2793      // -> 4+A.rho~rho
2794 @}
2795 @end example
2796
2797 @cindex @code{lorentz_g()}
2798 @subsubsection Minkowski metric tensor
2799
2800 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2801 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2802 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2803 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2804 @samp{eta}):
2805
2806 @example
2807 @{
2808     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2809
2810     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2811       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2812     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2813      // -> 1
2814
2815     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2816       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2817     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2818      // -> -1
2819 @}
2820 @end example
2821
2822 @cindex @code{spinor_metric()}
2823 @subsubsection Spinor metric tensor
2824
2825 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2826 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2827 It is output as @samp{eps}:
2828
2829 @example
2830 @{
2831     symbol psi("psi");
2832
2833     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2834     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2835
2836     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2837     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2838      // -> psi~A
2839
2840     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2841     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2842      // -> -psi~B
2843
2844     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> -psi.A
2847
2848     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2849     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2850      // -> psi.B
2851
2852     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2853     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2854      // -> 2
2855
2856     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2857     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2858      // -> -delta.A~C
2859 @}
2860 @end example
2861
2862 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2863
2864 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2865 @cindex @code{lorentz_eps()}
2866 @subsubsection Epsilon tensor
2867
2868 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2869 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2870 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2871 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2872 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2873 @samp{eps}.
2874
2875 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2876 dimensions:
2877
2878 @example
2879 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2880 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2881 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2882                bool pos_sig = false);
2883 @end example
2884
2885 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2886 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2887 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2888 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2889 tensor):
2890
2891 @example
2892 @{
2893     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2894            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2895     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2896         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2897     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2898      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2899
2900     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2901     symbol A("A"), B("B");
2902     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2903     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2904      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2905     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2906     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2907      // -> 0
2908 @}
2909 @end example
2910
2911 @subsection Linear algebra
2912
2913 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2914 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2915 and scalar products):
2916
2917 @example
2918 @{
2919     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2920     symbol x("x"), y("y");
2921
2922     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2923     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2924     A = 1, 2,
2925         3, 4;
2926     X = x, y;
2927
2928     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2929      // -> 5
2930
2931     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2932     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2933      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2934
2935     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2936     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2937      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2938 @}
2939 @end example
2940
2941 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2942 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2943 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2944
2945 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2946 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2947 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2948 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2949
2950 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2951 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2952 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2953 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2954 of the metric tensor.
2955
2956
2957 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2958 @c    node-name, next, previous, up
2959 @section Non-commutative objects
2960
2961 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2962 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2963 physics:
2964
2965 @itemize
2966 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2967 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2968 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2969 @end itemize
2970
2971 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2972 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2973 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2974 @ref{Matrices}.
2975
2976 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2977 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2978 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2979 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2980 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2981 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2982 by their class. Consider this example:
2983
2984 @example
2985     ...
2986     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2987     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2988     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2989     cout << e << endl;
2990      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2991     ...
2992 @end example
2993
2994 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2995 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2996 together while preserving the order of factors within each class (because
2997 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2998 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2999 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3000 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3001
3002 @cindex @code{ncmul} (class)
3003 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3004 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3005 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3006 though.
3007
3008 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3009 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3010 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3011 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3012 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3013 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3014 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
3015 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
3016 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
3017 functions can, however, be specified as being non-commutative.
3018
3019 @cindex @code{return_type()}
3020 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3021 Information about the commutativity of an object or expression can be
3022 obtained with the two member functions
3023
3024 @example
3025 unsigned ex::return_type() const;
3026 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3027 @end example
3028
3029 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3030 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3031 expressions in GiNaC:
3032
3033 @itemize
3034 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3035   classes are of this kind.
3036 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3037   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3038   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3039   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3040   class.
3041 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3042   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3043   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3044   @code{noncommutative_composite} expressions.
3045 @end itemize
3046
3047 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3048 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3049 value that is unique to the class of the object and usually one of the
3050 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
3051
3052 Here are a couple of examples:
3053
3054 @cartouche
3055 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3056 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3057 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3058 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3059 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3060 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3061 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3062 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3063 @end multitable
3064 @end cartouche
3065
3066 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3067 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3068 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3069 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3070 for color objects.
3071
3072 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3073 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3074 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3075 non-commutative expressions).
3076
3077
3078 @cindex @code{clifford} (class)
3079 @subsection Clifford algebra
3080
3081
3082 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3083 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3084 mathematical). 
3085
3086 @cindex @code{dirac_gamma()}
3087 @subsubsection Dirac gamma matrices
3088 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3089 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3090 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3091 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3092 constructed by the function
3093
3094 @example
3095 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3096 @end example
3097
3098 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3099 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3100 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3101 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3102 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3103 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3104
3105 @cindex @code{dirac_ONE()}
3106 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3107
3108 @example
3109 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3110 @end example
3111
3112 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3113 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3114 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3115 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3116 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3117
3118 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3119 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3120 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3121 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3122
3123 @example
3124 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3125 @end example
3126
3127 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3128 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3129 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3130 objects, constructed by
3131
3132 @example
3133 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3134 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3135 @end example
3136
3137 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3138 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3139
3140 @cindex @code{dirac_slash()}
3141 Finally, the function
3142
3143 @example
3144 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3145 @end example
3146
3147 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3148 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3149 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3150 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3151
3152 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3153 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3154 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3155
3156 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3157 for example
3158
3159 @example
3160 @{
3161     ...
3162     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3163     varidx mu(symbol("mu"), D);
3164     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3165          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3166     cout << e << endl;
3167      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3168     e = e.simplify_indexed();
3169     cout << e << endl;
3170      // -> -D*a\+2*a\
3171     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3172      // -> -2*a\
3173     ...
3174 @}
3175 @end example
3176
3177 @cindex @code{dirac_trace()}
3178 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3179 you use one of the functions
3180
3181 @example
3182 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3183                const ex & trONE = 4);
3184 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3185 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3186 @end example
3187
3188 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3189 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3190 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3191 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3192 element, which defaults to 4.
3193
3194 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3195 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3196 functional is not cyclic in
3197 @tex $D \ne 4$
3198 @end tex
3199 dimensions when acting on
3200 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3201 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3202 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3203
3204 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3205 @tex $D \ne 4$
3206 @end tex
3207 dimensions:
3208
3209 @example
3210 @{
3211     // 4 dimensions
3212     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3213     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3214            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3215     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3216      // -> -8*eta~rho~nu
3217 @}
3218 ...
3219 @{
3220     // D dimensions
3221     symbol D("D");
3222     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3223     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3224            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3225     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3226      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3227 @}
3228 @end example
3229
3230 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3231 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3232 QED:
3233
3234 @example
3235 @{
3236     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3237     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3238
3239     scalar_products sp;
3240     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3241     sp.add(l, q, ldotq);
3242
3243     ex e = dirac_gamma(mu) *
3244            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3245            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3246            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3247     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3248     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3249     cout << e << endl;
3250      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3251 @}
3252 @end example
3253
3254 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3255 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3256 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3257
3258 @example
3259 @{
3260     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3261     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3262     cout << e << endl;
3263      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3264
3265     e = canonicalize_clifford(e);
3266     cout << e << endl;
3267      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3268 @}
3269 @end example
3270
3271 @cindex @code{clifford_unit()}
3272 @subsubsection A generic Clifford algebra
3273
3274 A generic Clifford algebra, i.e. a
3275 @tex
3276 $2^n$
3277 @end tex
3278 dimensional algebra with
3279 generators 
3280 @tex $e_k$
3281 @end tex 
3282 satisfying the identities 
3283 @tex
3284 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i) $
3285 @end tex
3286 @ifnottex
3287 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3288 @end ifnottex
3289 for some bilinear form (@code{metric})
3290 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3291 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3292 function 
3293
3294 @example
3295     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0, 
3296                                 bool anticommuting = false);    
3297 @end example
3298
3299 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3300 generators, an index @code{mu} with a numeric value may be of type
3301 @code{idx} as well.
3302 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3303 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3304 object. Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3305 Clifford algebras, which will commute with each other. The last
3306 optional parameter @code{anticommuting} defines if the anticommuting
3307 assumption (i.e.
3308 @tex
3309 $e_i e_j + e_j e_i = 0$)
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 e~i e~j + e~j e~i = 0)
3313 @end ifnottex
3314 will be used for contraction of Clifford units. If the @code{metric} is
3315 supplied by a @code{matrix} object, then the value of
3316 @code{anticommuting} is calculated automatically and the supplied one
3317 will be ignored. One can overcome this by giving @code{metric} through
3318 matrix wrapped into an @code{indexed} object.
3319
3320 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3321 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3322 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3323 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3324 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3325 Clifford number.
3326 @cindex @code{clifford::is_anticommuting()}
3327 The method @code{clifford::is_anticommuting()} returns the
3328 @code{anticommuting} property of a unit.
3329
3330 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3331 the Clifford algebra units with a call like that
3332
3333 @example
3334     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3335 @end example
3336
3337 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3338 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3339 automatically. 
3340
3341 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3342 ways. For example 
3343
3344 @example
3345 @{
3346     ... 
3347     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3348     realsymbol s("s");
3349     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3350     ex e = clifford_unit(nu, M);
3351     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3352     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3353     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3354     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3355     ...
3356 @}
3357 @end example
3358
3359 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3360 @tex
3361 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3362 @end tex
3363 @ifnottex
3364 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3365 @code{pow(e3, 2) = s}.
3366 @end ifnottex
3367
3368 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3369 A similar effect can be achieved from the function
3370
3371 @example
3372     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3373                        unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3374     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3375 @end example
3376
3377 which converts a list or vector 
3378 @tex
3379 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3380 @end tex
3381 @ifnottex
3382 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3383 @end ifnottex
3384 into the
3385 Clifford number 
3386 @tex
3387 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3388 @end tex
3389 @ifnottex
3390 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3391 @end ifnottex
3392 with @samp{e.k}
3393 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3394 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3395 @code{clifford_unit(mu, metr, rl, anticommuting)}. The previous code may be rewritten
3396 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3397
3398 @example
3399 @{
3400     ...
3401     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3402     realsymbol s("s");
3403     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3404     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3405     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3406     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3407     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3408   ...
3409 @}
3410 @end example
3411
3412 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3413 There is the inverse function 
3414
3415 @example
3416     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3417 @end example
3418
3419 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3420 @tex
3421 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3422 @end tex
3423 @ifnottex
3424 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3425 @end ifnottex
3426 such that 
3427 @tex
3428 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3429 @end tex
3430 @ifnottex
3431 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3432 @end ifnottex
3433 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3434 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3435 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3436 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3437 @tex
3438 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3439 @end tex
3440 @ifnottex
3441 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3442 @end ifnottex
3443 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3444 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3445 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3446
3447 @cindex @code{clifford_prime()}
3448 @cindex @code{clifford_star()}
3449 @cindex @code{clifford_bar()}
3450 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3451
3452 @example
3453     ex clifford_prime(const ex & e)
3454     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3455     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3456 @end example
3457
3458 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3459 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3460 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3461 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3462 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3463 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3464 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3465 in a product. These functions correspond to the notations
3466 @math{e'},
3467 @tex
3468 $e^*$
3469 @end tex
3470 @ifnottex
3471 e*
3472 @end ifnottex
3473 and
3474 @tex
3475 $\overline{e}$
3476 @end tex
3477 @ifnottex
3478 @code{\bar@{e@}}
3479 @end ifnottex
3480 used in Clifford algebra textbooks.
3481
3482 @cindex @code{clifford_norm()}
3483 The function
3484
3485 @example
3486     ex clifford_norm(const ex & e);
3487 @end example
3488
3489 @cindex @code{clifford_inverse()}
3490 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3491 @tex
3492 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3493 @end tex
3494 @ifnottex
3495 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3496 @end ifnottex
3497  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3498
3499 @example
3500     ex clifford_inverse(const ex & e);
3501 @end example
3502
3503 which calculates it as 
3504 @tex
3505 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3506 @end tex
3507 @ifnottex
3508 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3509 @end ifnottex
3510  If
3511 @tex
3512 $||e|| = 0$
3513 @end tex
3514 @ifnottex
3515 @math{||e||=0}
3516 @end ifnottex
3517 then an exception is raised.
3518
3519 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3520 If a Clifford number happens to be a factor of
3521 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3522 expression by the function
3523
3524 @example
3525     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3526 @end example
3527
3528 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3529 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3530 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3531
3532 The next provided function is
3533
3534 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3535 @example
3536     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3537                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3538                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3539     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3540                             unsigned char rl = 0, bool anticommuting = false);
3541 @end example 
3542
3543 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3544 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3545 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3546 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3547 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3548 case the optional parameters @code{rl} and @code{anticommuting} are ignored
3549 even if supplied.  The returned value of this function is a list of
3550 components of the resulting vector.
3551
3552 @cindex @code{clifford_max_label()}
3553 Finally the function
3554
3555 @example
3556 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3557 @end example
3558
3559 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3560 such objects are found it returns the maximal
3561 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3562 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3563 be ignored during the search.
3564  
3565 LaTeX output for Clifford units looks like
3566 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3567 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3568 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3569 defintion of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3570 @example
3571     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3572 @end example
3573 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3574 @example
3575     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3576 @end example
3577 prints units with @code{representation_label=0} as 
3578 @tex
3579 $e$,
3580 @end tex
3581 @ifnottex
3582 @code{e},
3583 @end ifnottex
3584 with @code{representation_label=1} as 
3585 @tex
3586 $\tilde{e}$
3587 @end tex
3588 @ifnottex
3589 @code{\tilde@{e@}}
3590 @end ifnottex
3591  and with @code{representation_label=2} as 
3592 @tex
3593 $\breve{e}$.
3594 @end tex
3595 @ifnottex
3596 @code{\breve@{e@}}.
3597 @end ifnottex
3598
3599 @cindex @code{color} (class)
3600 @subsection Color algebra
3601
3602 @cindex @code{color_T()}
3603 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3604 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3605 elements @math{T_a} are constructed by the function
3606
3607 @example
3608 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3609 @end example
3610
3611 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3612 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3613 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3614 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3615 not @code{varidx}.
3616
3617 @cindex @code{color_ONE()}
3618 The unity element of a color algebra is constructed by
3619
3620 @example
3621 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3622 @end example
3623
3624 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3625 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3626 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3627 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3628 GiNaC may produce incorrect results.
3629
3630 @cindex @code{color_d()}
3631 @cindex @code{color_f()}
3632 The functions
3633
3634 @example
3635 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3636 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3637 @end example
3638
3639 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3640 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3641 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3642
3643 These functions evaluate to their numerical values,
3644 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3645 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3646 goes along better with the notations used in physical literature.
3647
3648 @cindex @code{color_h()}
3649 There's an additional function
3650
3651 @example
3652 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3653 @end example
3654
3655 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3656
3657 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3658 expressions containing color objects:
3659
3660 @example
3661 @{
3662     ...
3663     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3664         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3665
3666     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3667     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3668      // -> 0
3669
3670     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3671     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3672      // -> 5/3*delta.k.l
3673
3674     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3675     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3676      // -> 3*delta.k.l
3677
3678     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3680      // -> -32/3
3681
3682     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3684      // -> -2/3*T.a
3685
3686     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3688      // -> -8/9*ONE
3689
3690     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3692      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3693     ...
3694 @end example
3695
3696 @cindex @code{color_trace()}
3697 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3698 of the functions
3699
3700 @example
3701 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3702 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3703 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3704 @end example
3705
3706 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3707 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3708 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3709 example:
3710
3711 @example
3712     ...
3713     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3714     cout << e << endl;
3715      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3716 @}
3717 @end example
3718
3719
3720 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3721 @c    node-name, next, previous, up
3722 @section Hash Maps
3723 @cindex hash maps
3724 @cindex @code{exhashmap} (class)
3725
3726 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3727 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3728 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3729 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3730
3731 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3732 following differences:
3733
3734 @itemize @bullet
3735 @item
3736 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3737 @item
3738 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3739 @item 
3740 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3741 @item
3742 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3743 @code{ex_is_less}
3744 @item
3745 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3746 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3747 larger than the specified value)
3748 @item
3749 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3750 table
3751 @item 
3752 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3753 @end itemize
3754
3755
3756 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3757 @c    node-name, next, previous, up
3758 @chapter Methods and Functions
3759 @cindex polynomial
3760
3761 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3762 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3763 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3764 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3765 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3766 example:
3767
3768 @example
3769     ...
3770     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3771     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3772     ...
3773 @end example
3774
3775 @cindex @code{subs()}
3776 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3777 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3778 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3779 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3780 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3781 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3782 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3783 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3784 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3785 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3786 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3787 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3788 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3789 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3790 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3791 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3792 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3793 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3794 avoided.
3795
3796 @menu
3797 * Information About Expressions::
3798 * Numerical Evaluation::
3799 * Substituting Expressions::
3800 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3801 * Applying a Function on Subexpressions::
3802 * Visitors and Tree Traversal::
3803 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3804 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3805 * Symbolic Differentiation::
3806 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3807 * Symmetrization::
3808 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3809 * Multiple polylogarithms::
3810 * Complex Conjugation::
3811 * Solving Linear Systems of Equations::
3812 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3813 @end menu
3814
3815
3816 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3817 @c    node-name, next, previous, up
3818 @section Getting information about expressions
3819
3820 @subsection Checking expression types
3821 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3822 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3823 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3824 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3825 @cindex @code{info()}
3826 @cindex @code{return_type()}
3827 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3828
3829 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3830 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3831 GiNaC provides a couple of functions for this:
3832
3833 @example
3834 bool is_a<T>(const ex & e);
3835 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3836 bool ex::info(unsigned flag);
3837 unsigned ex::return_type() const;
3838 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3839 @end example
3840
3841 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3842 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3843 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3844 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3845
3846 @example
3847 @{
3848     @dots{}
3849     if (is_a<numeric>(e))
3850         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3851     @dots{}
3852 @}
3853 @end example
3854
3855 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3856 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3857 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3858 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3859
3860 @example
3861 @{
3862     symbol x("x");
3863     ex e1 = 42;
3864     ex e2 = 4*x - 3;
3865     is_a<numeric>(e1);  // true
3866     is_a<numeric>(e2);  // false
3867     is_a<add>(e1);      // false
3868     is_a<add>(e2);      // true
3869     is_a<mul>(e1);      // false
3870     is_a<mul>(e2);      // false
3871 @}
3872 @end example
3873
3874 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3875 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3876 class @samp{T}, not including parent classes.
3877
3878 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3879 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3880 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3881 table:
3882
3883 @cartouche
3884 @multitable @columnfractions .30 .70
3885 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3886 @item @code{numeric}
3887 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3888 @item @code{real}
3889 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3890 @item @code{rational}
3891 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3892 @item @code{integer}
3893 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3894 @item @code{crational}
3895 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3896 @item @code{cinteger}
3897 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3898 @item @code{positive}
3899 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3900 @item @code{negative}
3901 @tab @dots{}not complex and less than 0
3902 @item @code{nonnegative}
3903 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3904 @item @code{posint}
3905 @tab @dots{}an integer greater than 0
3906 @item @code{negint}
3907 @tab @dots{}an integer less than 0
3908 @item @code{nonnegint}
3909 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3910 @item @code{even}
3911 @tab @dots{}an even integer
3912 @item @code{odd}
3913 @tab @dots{}an odd integer
3914 @item @code{prime}
3915 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3916 @item @code{relation}
3917 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3918 @item @code{relation_equal}
3919 @tab @dots{}a @code{==} relation
3920 @item @code{relation_not_equal}
3921 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3922 @item @code{relation_less}
3923 @tab @dots{}a @code{<} relation
3924 @item @code{relation_less_or_equal}
3925 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3926 @item @code{relation_greater}
3927 @tab @dots{}a @code{>} relation
3928 @item @code{relation_greater_or_equal}
3929 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3930 @item @code{symbol}
3931 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3932 @item @code{list}
3933 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3934 @item @code{polynomial}
3935 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3936 @item @code{integer_polynomial}
3937 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3938 @item @code{cinteger_polynomial}
3939 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3940 @item @code{rational_polynomial}
3941 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3942 @item @code{crational_polynomial}
3943 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3944 @item @code{rational_function}
3945 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3946 @item @code{algebraic}
3947 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3948 @end multitable
3949 @end cartouche
3950
3951 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3952 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3953 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3954 for an explanation of these.
3955
3956
3957 @subsection Accessing subexpressions
3958 @cindex container
3959
3960 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3961 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3962 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3963 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3964
3965 @cindex @code{nops()}
3966 @cindex @code{op()}
3967 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3968 use the two methods
3969
3970 @example
3971 size_t ex::nops();
3972 ex ex::op(size_t i);
3973 @end example
3974
3975 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3976 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3977 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3978 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3979 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3980 @math{i>0} are the indices.
3981
3982 @cindex iterators
3983 @cindex @code{const_iterator}
3984 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3985 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3986
3987 @example
3988 const_iterator ex::begin();
3989 const_iterator ex::end();
3990 @end example
3991
3992 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3993 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3994 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3995 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3996
3997 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3998 given expression in three different ways:
3999
4000 @example
4001 @{
4002     ex e = ...
4003
4004     // with nops()/op()
4005     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4006         cout << e.op(i) << endl;
4007
4008     // with iterators
4009     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4010         cout << *i << endl;
4011
4012     // with iterators and STL copy()
4013     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4014 @}
4015 @end example
4016
4017 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4018 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4019 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4020 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4021 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4022 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4023 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4024 methods
4025
4026 @example
4027 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4028 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4029 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4030 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4031 @end example
4032
4033 The following example illustrates the differences between
4034 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4035 @code{const_postorder_iterator}:
4036
4037 @example
4038 @{
4039     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4040     ex e = lst(lst(A, B), C);
4041
4042     std::copy(e.begin(), e.end(),
4043               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4044     // @{A,B@}
4045     // C
4046
4047     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4048               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4049     // @{@{A,B@},C@}
4050     // @{A,B@}
4051     // A
4052     // B
4053     // C
4054
4055     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4056               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4057     // A
4058     // B
4059     // @{A,B@}
4060     // C
4061     // @{@{A,B@},C@}
4062 @}
4063 @end example
4064
4065 @cindex @code{relational} (class)
4066 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4067 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4068 methods
4069
4070 @example
4071 ex ex::lhs();
4072 ex ex::rhs();
4073 @end example
4074
4075
4076 @subsection Comparing expressions
4077 @cindex @code{is_equal()}
4078 @cindex @code{is_zero()}
4079
4080 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4081 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4082 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4083 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4084 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4085 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4086 @code{false}.
4087
4088 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4089 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4090 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4091
4092 There are also two methods
4093
4094 @example
4095 bool ex::is_equal(const ex & other);
4096 bool ex::is_zero();
4097 @end example
4098
4099 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4100 respectively.
4101
4102
4103 @subsection Ordering expressions
4104 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4105 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4106 @cindex @code{compare()}
4107
4108 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4109 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4110 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4111 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4112
4113 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4114 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4115 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4116 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4117 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4118 yield @code{true}.
4119
4120 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4121 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4122 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4123 predicates to the STL:
4124
4125 @example
4126 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4127 public:
4128     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4129 @};
4130
4131 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4132 public:
4133     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4134 @};
4135 @end example
4136
4137 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4138 have to use
4139
4140 @example
4141 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4142 @end example
4143
4144 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4145 bugs because the map operates improperly.
4146
4147 Other examples for the use of the functors:
4148
4149 @example
4150 std::vector<ex> v;
4151 // fill vector
4152 ...
4153
4154 // sort vector
4155 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4156
4157 // count the number of expressions equal to '1'
4158 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4159                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4160 @end example
4161
4162 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4163
4164 @example
4165 int ex::compare(const ex & other) const;
4166 @end example
4167
4168 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4169 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4170 after @code{other}.
4171
4172
4173 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4174 @c    node-name, next, previous, up
4175 @section Numerical Evaluation
4176 @cindex @code{evalf()}
4177
4178 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4179 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4180
4181 @example
4182 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4183 @end example
4184
4185 @cindex @code{Digits}
4186 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4187 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4188 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4189
4190 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4191 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4192
4193 @example
4194 @{
4195     // Approximate sin(x/Pi)
4196     symbol x("x");
4197     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4198
4199     // Evaluate numerically at x=0.1
4200     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4201
4202     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4203     if (is_a<numeric>(f)) @{
4204         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4205         cout << d << endl;
4206          // -> 0.0318256
4207     @} else
4208         // error
4209 @}
4210 @end example
4211
4212
4213 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4214 @c    node-name, next, previous, up
4215 @section Substituting expressions
4216 @cindex @code{subs()}
4217
4218 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4219 expressions via the @code{.subs()} method:
4220
4221 @example
4222 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4223 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4224 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4225 @end example
4226
4227 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4228 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4229
4230 @example
4231 @{
4232     symbol x("x"), y("y");
4233
4234     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4235     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4236      // -> 73
4237
4238     ex e2 = x*y + x;
4239     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4240      // -> -10
4241 @}
4242 @end example
4243
4244 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4245 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4246
4247 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4248 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4249 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4250 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4251 be substituted is large or unknown.
4252
4253 Using this form, the second example from above would look like this:
4254
4255 @example
4256 @{
4257     symbol x("x"), y("y");
4258     ex e2 = x*y + x;
4259
4260     exmap m;
4261     m[x] = -2;
4262     m[y] = 4;
4263     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4264 @}
4265 @end example
4266
4267 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4268 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4269 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4270
4271 @example
4272 @{
4273     symbol x("x"), y("y");
4274     ex e2 = x*y + x;
4275
4276     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4277 @}
4278 @end example
4279
4280 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4281 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4282 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4283 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4284 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4285 algebraic substitutions in products and powers.
4286 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4287 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4288 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4289 indices are renamed if the subsitution could give a result in which a
4290 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4291 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4292
4293 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4294 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4295 following example:
4296
4297 @example
4298 @{
4299     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4300
4301     ex e1 = pow(x+y, 2);
4302     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4303      // -> 16
4304
4305     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4306     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4307      // -> cos(x)^2*sin(y)
4308
4309     ex e3 = x+y+z;
4310     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4311      // -> x+y+z
4312      // (and not 4+z as one might expect)
4313 @}
4314 @end example
4315
4316 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4317 next section.
4318
4319
4320 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4321 @c    node-name, next, previous, up
4322 @section Pattern matching and advanced substitutions
4323 @cindex @code{wildcard} (class)
4324 @cindex Pattern matching
4325
4326 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4327 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4328 substituting expressions in a more general way.
4329
4330 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4331 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4332 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4333 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4334 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4335 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4336 with the call
4337
4338 @example
4339 ex wild(unsigned label = 0);
4340 @end example
4341
4342 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4343 name.
4344
4345 Some examples for patterns:
4346
4347 @multitable @columnfractions .5 .5
4348 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4349 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4350 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4351 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4352 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4353 @end multitable
4354
4355 Notes:
4356
4357 @itemize
4358 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4359   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4360 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4361   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4362   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4363 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4364   possible to use them as placeholders for other properties like index
4365   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4366   etc.
4367 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4368   as part of noncommutative products.
4369 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4370   are also valid patterns.
4371 @end itemize
4372
4373 @subsection Matching expressions
4374 @cindex @code{match()}
4375 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4376 matches a given pattern. This is done by the function
4377
4378 @example
4379 bool ex::match(const ex & pattern);
4380 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4381 @end example
4382
4383 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4384 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4385 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4386 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4387 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4388 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4389 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4390 expressions by passing in the result of a previous match.
4391
4392 The matching algorithm works as follows:
4393
4394 @itemize
4395 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4396   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4397   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4398   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4399 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4400   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4401   etc.).
4402 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4403   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4404 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4405   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4406   of the pattern.
4407 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4408   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4409 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4410   match the corresponding subexpression of the pattern.
4411 @end itemize
4412
4413 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4414 account for their commutativity and associativity:
4415
4416 @itemize
4417 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4418   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4419   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4420   way.
4421 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4422   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4423   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4424   further matches.
4425 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4426   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4427   which case this wildcard matches the remaining terms.
4428 @end itemize
4429
4430 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4431 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4432 ambiguous results.
4433
4434 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4435 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4436 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4437
4438 @example
4439 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4440 @{@}
4441 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4442 FAIL
4443 > match((x+y)^a,$1^$2);
4444 @{$1==x+y,$2==a@}
4445 > match((x+y)^a,$1^$1);
4446 FAIL
4447 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4448 @{$1==x+y@}
4449 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4450 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4451 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4452 @{$1==a@}
4453 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4454 @{$1==c,$2==b@}
4455   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4456 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4457   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4458    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4459    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4460    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4461    fail.)
4462 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4463   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4464    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4465 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4466 FAIL
4467 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4468 @{$0==a+e+b+f+d@}
4469 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4470 @{$0==a+b+f+d@}
4471 > match(a+b,a+b+$0);
4472 @{$0==0@}
4473 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4474 FAIL
4475   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4476    even though a==a^1.)
4477 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4478 @{$0==x@}
4479 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4480 @{$0==x^2@}
4481 @end example
4482
4483 @subsection Matching parts of expressions
4484 @cindex @code{has()}
4485 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4486 member function
4487
4488 @example
4489 bool ex::has(const ex & pattern);
4490 @end example
4491
4492 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4493 by any of its subexpressions.
4494
4495 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4496 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4497
4498 @example
4499 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4500 1
4501 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4502 0
4503   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4504    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4505 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4506 1
4507   (But this is possible.)
4508 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4509 0
4510   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4511    which "x+y" is not a subexpression.)
4512 > has(x+1,x^$1);
4513 0
4514   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4515    "x^something".)
4516 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4517 1
4518 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4519 0
4520   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4521    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4522    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4523 @end example
4524
4525 @cindex @code{find()}
4526 The method
4527
4528 @example
4529 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4530 @end example
4531
4532 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4533 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4534 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4535 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4536 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4537
4538 @example
4539 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4540 @{x@}
4541 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4542 @{@}
4543 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4544 @{x^3,x^2@}
4545   (Note the absence of "x".)
4546 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4547 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4548 > find(%,sin($1));
4549 @{sin(y),sin(x)@}
4550 @end example
4551
4552 @subsection Substituting expressions
4553 @cindex @code{subs()}
4554 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4555 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4556 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4557 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4558 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4559
4560 Some examples:
4561
4562 @example
4563 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4564 b^3+a^3+(x+y)^3
4565 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4566 b^4+a^4+(x+y)^4
4567 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4568 (a+b+c)^2
4569 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4570 (x+c)^2
4571 > subs(a+2*b,a+b==x);
4572 a+2*b
4573 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4574 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4575 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4576 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4577 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4578 cos(1+cos(x))
4579 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4580 a+b
4581 @end example
4582
4583 The last example would be written in C++ in this way:
4584
4585 @example
4586 @{
4587     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4588     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4589     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4590     cout << e.expand() << endl;
4591      // -> a+b
4592 @}
4593 @end example
4594
4595 @subsection Algebraic substitutions
4596 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4597 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4598 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4599 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4600 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4601 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4602 powers.
4603
4604 An example clarifies it all (hopefully):
4605
4606 @example
4607 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4608                                         subs_options::algebraic) << endl;
4609 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4610
4611 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4612 // --> (c+b+a)^2
4613 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4614
4615 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4616                                                                       << endl;
4617 // --> (x+c)^2
4618 // As I said: addition is just the same.
4619
4620 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4621 // --> x^3*b*a^2+2*b
4622
4623 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4624                                                                        << endl;
4625 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4626
4627 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4628 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4629
4630 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4631                                 subs_options::algebraic) << endl;
4632 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4633 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4634 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4635
4636 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4637                                 subs_options::algebraic) << endl;
4638 // --> cos(1+cos(x))
4639
4640 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4641         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4642                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4643 // --> b+a
4644 @end example
4645
4646
4647 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4648 @c    node-name, next, previous, up
4649 @section Applying a Function on Subexpressions
4650 @cindex tree traversal
4651 @cindex @code{map()}
4652
4653 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4654 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4655 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4656 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4657 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4658 to do this manually which usually results in code like this:
4659
4660 @example
4661 ex calc_trace(ex e)
4662 @{
4663     if (is_a<matrix>(e))
4664         return ex_to<matrix>(e).trace();
4665     else if (is_a<add>(e)) @{
4666         ex sum = 0;
4667         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4668             sum += calc_trace(e.op(i));
4669         return sum;
4670     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4671         ...
4672     @} else @{
4673         ...
4674     @}
4675 @}
4676 @end example
4677
4678 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4679 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4680 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4681 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4682 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4683
4684 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4685 operations:
4686
4687 @example
4688 ex ex::map(map_function & f) const;
4689 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4690 @end example
4691
4692 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4693 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4694 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4695 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4696 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4697 non-recursively.
4698
4699 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4700 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4701 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4702 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4703 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4704
4705 @example
4706 struct calc_trace : public map_function @{
4707     ex operator()(const ex &e)
4708     @{
4709         if (is_a<matrix>(e))
4710             return ex_to<matrix>(e).trace();
4711         else if (is_a<mul>(e)) @{
4712             ...
4713         @} else
4714             return e.map(*this);
4715     @}
4716 @};
4717 @end example
4718
4719 This function object could then be used like this:
4720
4721 @example
4722 @{
4723     ex M = ... // expression with matrices
4724     calc_trace do_trace;
4725     ex tr = do_trace(M);
4726 @}
4727 @end example
4728
4729 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4730 terms in a variable from an expanded polynomial:
4731
4732 @example
4733 struct map_rem_quad : public map_function @{
4734     ex var;
4735     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4736
4737     ex operator()(const ex & e)
4738     @{
4739         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4740             return e.map(*this);
4741         else if (is_a<power>(e) && 
4742                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4743             return 0;
4744         else
4745             return e;
4746     @}
4747 @};
4748
4749 ...
4750
4751 @{
4752     symbol x("x"), y("y");
4753
4754     ex e;
4755     for (int i=0; i<8; i++)
4756         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4757     cout << e << endl;
4758      // -> 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
4759
4760     map_rem_quad rem_quad(x);
4761     cout << rem_quad(e) << endl;
4762      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4763 @}
4764 @end example
4765
4766 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4767 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4768 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4769 acts as the placeholder for the operands:
4770
4771 @example
4772 > map(a*b,sin($0));
4773 sin(a)*sin(b)
4774 > map(a+2*b,sin($0));
4775 sin(a)+sin(2*b)
4776 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4777 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4778 @end example
4779
4780 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4781 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4782 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4783
4784 @example
4785 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4786 @{0,0,0@}
4787   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4788   to "map(@{a,b,c@},0)".
4789 @end example
4790
4791
4792 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4793 @c    node-name, next, previous, up
4794 @section Visitors and Tree Traversal
4795 @cindex tree traversal
4796 @cindex @code{visitor} (class)
4797 @cindex @code{accept()}
4798 @cindex @code{visit()}
4799 @cindex @code{traverse()}
4800 @cindex @code{traverse_preorder()}
4801 @cindex @code{traverse_postorder()}
4802
4803 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4804 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4805 indices with variance you always want the covariant version returned.
4806
4807 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4808 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4809 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4810 with variance, one for plain ones).
4811
4812 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4813 such as the following:
4814
4815 @example
4816 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4817 @{
4818     if (is_a<varidx>(e)) @{
4819         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4820         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4821     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4822         l.append(e);
4823     @} else @{
4824         size_t n = e.nops();
4825         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4826             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4827     @}
4828 @}
4829
4830 lst gather_indices(const ex & e)
4831 @{
4832     lst l;
4833     gather_indices_helper(e, l);
4834     l.sort();
4835     l.unique();
4836     return l;
4837 @}
4838 @end example
4839
4840 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4841 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4842 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4843
4844 @example
4845     if (is_a<idx>(e)) @{
4846       ...
4847     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4848       ...
4849 @end example
4850
4851 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4852 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4853 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4854 executed.
4855
4856 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4857 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4858 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4859 write a function that required a different implementation for nearly
4860 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4861
4862 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4863 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4864 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4865 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4866 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4867 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4868 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4869 presented this would be impractical.
4870
4871 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4872 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4873 variation, described in detail in
4874 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4875 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4876 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4877 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4878 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4879 object that @code{accept()} was being invoked on.
4880
4881 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4882 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4883 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4884 each class.
4885
4886 A call of
4887
4888 @example
4889 void ex::accept(visitor & v) const;
4890 @end example
4891
4892 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4893 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4894 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4895
4896 Here is an example of a visitor:
4897
4898 @example
4899 class my_visitor
4900  : public visitor,          // this is required
4901    public add::visitor,     // visit add objects
4902    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4903    public basic::visitor    // visit basic objects
4904 @{
4905     void visit(const add & x)
4906     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4907
4908     void visit(const numeric & x)
4909     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4910
4911     void visit(const basic & x)
4912     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4913 @};
4914 @end example
4915
4916 which can be used as follows:
4917
4918 @example
4919 ...
4920     symbol x("x");
4921     ex e1 = 42;
4922     ex e2 = 4*x-3;
4923     ex e3 = 8*x;
4924
4925     my_visitor v;
4926     e1.accept(v);
4927      // prints "called with a numeric object"
4928     e2.accept(v);
4929      // prints "called with an add object"
4930     e3.accept(v);
4931      // prints "called with a basic object"
4932 ...
4933 @end example
4934
4935 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4936 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4937
4938 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4939 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4940 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4941 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4942 hierarchies of visitors.
4943
4944 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4945
4946 @example
4947 class gather_indices_visitor
4948  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4949 @{
4950     lst l;
4951
4952     void visit(const idx & i)
4953     @{
4954         l.append(i);
4955     @}
4956
4957     void visit(const varidx & vi)
4958     @{
4959         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4960     @}
4961
4962 public:
4963     const lst & get_result() // utility function
4964     @{
4965         l.sort();
4966         l.unique();
4967         return l;
4968     @}
4969 @};
4970 @end example
4971
4972 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4973 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4974
4975 @example
4976 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4977 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4978 void ex::traverse(visitor & v) const;
4979 @end example
4980
4981 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4982 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4983 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4984 @code{traverse_preorder()}.
4985
4986 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4987 and @code{traverse()}:
4988
4989 @example
4990 lst gather_indices(const ex & e)
4991 @{
4992     gather_indices_visitor v;
4993     e.traverse(v);
4994     return v.get_result();
4995 @}
4996 @end example
4997
4998 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4999 traversal:
5000
5001 @example
5002 lst gather_indices(const ex & e)
5003 @{
5004     gather_indices_visitor v;
5005     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5006          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5007         i->accept(v);
5008     @}
5009     return v.get_result();
5010 @}
5011 @end example
5012
5013
5014 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
5015 @c    node-name, next, previous, up
5016 @section Polynomial arithmetic
5017
5018 @subsection Expanding and collecting
5019 @cindex @code{expand()}
5020 @cindex @code{collect()}
5021 @cindex @code{collect_common_factors()}
5022
5023 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5024 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5025 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5026 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5027 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5028 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5029 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5030 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5031 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5032 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5033 x*z}.
5034
5035 To bring an expression into expanded form, its method
5036
5037 @example
5038 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5039 @end example
5040
5041 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5042 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5043 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5044 orderings of terms in such sums!
5045
5046 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5047 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5048 being polynomials in the remaining variables.  The method
5049 @code{collect()} accomplishes this task:
5050
5051 @example
5052 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5053 @end example
5054
5055 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5056 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5057 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5058 by the @code{distributed} flag.
5059
5060 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5061 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5062 coefficients properly.
5063
5064 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5065 together with @code{find()}:
5066
5067 @example
5068 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5069 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)
5070 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5071 > collect(a,@{p,q@});
5072 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5073 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5074 > collect(a,find(a,sin($1)));
5075 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5076 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5077 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5078 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5079 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5080 @end example
5081
5082 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5083 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5084
5085 @example
5086 ex collect_common_factors(const ex & e);
5087 @end example
5088
5089 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5090 factors which are already explicitly present:
5091
5092 @example
5093 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5094 (x+y)*a
5095 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5096 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5097 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5098 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5099 @end example
5100
5101 @subsection Degree and coefficients
5102 @cindex @code{degree()}
5103 @cindex @code{ldegree()}
5104 @cindex @code{coeff()}
5105
5106 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5107 methods
5108
5109 @example
5110 int ex::degree(const ex & s);
5111 int ex::ldegree(const ex & s);
5112 @end example
5113
5114 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5115 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5116 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5117 an expanded polynomial you use
5118
5119 @example
5120 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5121 @end example
5122
5123 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5124
5125 @example
5126 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5127 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5128 @end example
5129
5130 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5131 respectively.
5132
5133 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5134 polynomial is analyzed:
5135
5136 @example
5137 @{
5138     symbol x("x"), y("y");
5139     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5140                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5141     ex Poly = PolyInp.expand();
5142     
5143     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5144         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5145              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5146     @}
5147     cout << "As polynomial in y: " 
5148          << Poly.collect(y) << endl;
5149 @}
5150 @end example
5151
5152 When run, it returns an output in the following fashion:
5153
5154 @example
5155 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5156 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5157 The x^2-coefficient is -1
5158 The x^3-coefficient is 4*y
5159 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5160 @end example
5161
5162 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5163 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5164 within the user's sphere of influence.
5165
5166 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5167 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5168 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5169 constants, functions and indexed objects as well:
5170
5171 @example
5172 @{
5173     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5174     idx i(symbol("i"), 3);
5175
5176     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5177     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5178      // -> 4
5179     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5180      // -> -4*cos(x)
5181
5182     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5183     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5184     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5185      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5186 @}
5187 @end example
5188
5189
5190 @subsection Polynomial division
5191 @cindex polynomial division
5192 @cindex quotient
5193 @cindex remainder
5194 @cindex pseudo-remainder
5195 @cindex @code{quo()}
5196 @cindex @code{rem()}
5197 @cindex @code{prem()}
5198 @cindex @code{divide()}
5199
5200 The two functions
5201
5202 @example
5203 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5204 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5205 @end example
5206
5207 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5208 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5209
5210 The additional function
5211
5212 @example
5213 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5214 @end example
5215
5216 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5217 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5218
5219 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5220
5221 @example
5222 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5223 @end example
5224
5225 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5226 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5227 in which case the value of @code{q} is undefined.
5228
5229
5230 @subsection Unit, content and primitive part
5231 @cindex @code{unit()}
5232 @cindex @code{content()}
5233 @cindex @code{primpart()}
5234 @cindex @code{unitcontprim()}
5235
5236 The methods
5237
5238 @example
5239 ex ex::unit(const ex & x);
5240 ex ex::content(const ex & x);
5241 ex ex::primpart(const ex & x);
5242 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5243 @end example
5244
5245 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5246 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5247 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5248 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5249 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5250 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5251 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5252 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5253
5254 Additionally, the method
5255
5256 @example
5257 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5258 @end example
5259
5260 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5261 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5262
5263
5264 @subsection GCD, LCM and resultant
5265 @cindex GCD
5266 @cindex LCM
5267 @cindex @code{gcd()}
5268 @cindex @code{lcm()}
5269
5270 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5271 multiple have the synopsis
5272
5273 @example
5274 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5275 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5276 @end example
5277
5278 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5279 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5280 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5281 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5282 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5283 the coefficients must be rationals.
5284
5285 @example
5286 #include <ginac/ginac.h>
5287 using namespace GiNaC;
5288
5289 int main()
5290 @{
5291     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5292     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5293     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5294
5295     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5296     // x + 5*y + 4*z
5297     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5298     // 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
5299 @}
5300 @end example
5301
5302 @cindex resultant
5303 @cindex @code{resultant()}
5304
5305 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5306 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5307 expressions. The function has the interface
5308
5309 @example
5310 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5311 @end example
5312
5313 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5314 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5315 @code{y}, respectively:
5316
5317 @example
5318 #include <ginac/ginac.h>
5319 using namespace GiNaC;
5320
5321 int main()
5322 @{
5323     symbol x("x"), y("y");
5324
5325     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5326     ex r;
5327     
5328     r = resultant(e1, e2, x); 
5329     // -> 1+2*y^6
5330     r = resultant(e1, e2, y); 
5331     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5332 @}
5333 @end example
5334
5335 @subsection Square-free decomposition
5336 @cindex square-free decomposition
5337 @cindex factorization
5338 @cindex @code{sqrfree()}
5339
5340 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5341 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5342 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5343 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5344 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5345 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5346 one, too:
5347 @example
5348 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5349 @end example
5350 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5351 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5352 some care with subsequent processing of the result:
5353 @example
5354     ...
5355     symbol x("x"), y("y");
5356     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5357
5358     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5359      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5360
5361     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5362      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5363
5364     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5365      // -> depending on luck, any of the above
5366     ...
5367 @end example
5368 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5369 with this method.
5370
5371
5372 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5373 @c    node-name, next, previous, up
5374 @section Rational expressions
5375
5376 @subsection The @code{normal} method
5377 @cindex @code{normal()}
5378 @cindex simplification
5379 @cindex temporary replacement
5380
5381 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5382 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5383 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5384 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5385 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5386 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5387
5388 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5389 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5390 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5391 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5392 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5393 @code{.to_rational()}, described below.
5394
5395 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5396 simplified in this little code snippet:
5397
5398 @example
5399 @{
5400     symbol x("x");
5401     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5402     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5403     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5404     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5405 @}
5406 @end example
5407
5408 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5409 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5410 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5411
5412
5413 @subsection Numerator and denominator
5414 @cindex numerator
5415 @cindex denominator
5416 @cindex @code{numer()}
5417 @cindex @code{denom()}
5418 @cindex @code{numer_denom()}
5419
5420 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5421
5422 @example
5423 ex ex::numer();
5424 ex ex::denom();
5425 ex ex::numer_denom();
5426 @end example
5427
5428 These functions will first normalize the expression as described above and
5429 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5430 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5431 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5432
5433
5434 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5435 @cindex @code{to_polynomial()}
5436 @cindex @code{to_rational()}
5437
5438 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5439 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5440 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5441 above. You do this by calling
5442
5443 @example
5444 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5445 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5446 @end example
5447 or
5448 @example
5449 ex ex::to_rational(exmap & m);
5450 ex ex::to_rational(lst & l);
5451 @end example
5452
5453 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5454 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5455 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5456 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5457 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5458 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5459
5460 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5461 is probably best illustrated with an example:
5462
5463 @example
5464 @{
5465     symbol x("x"), y("y");
5466     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5467     cout << a << endl;
5468
5469     lst lp;
5470     ex p = a.to_polynomial(lp);
5471     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5472      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5473      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5474
5475     lst lr;
5476     ex r = a.to_rational(lr);
5477     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5478      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5479      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5480 @}
5481 @end example
5482
5483 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5484
5485 @example
5486 @{
5487     symbol x("x");
5488     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5489     ex b = sin(x) + cos(x);
5490     ex q;
5491     exmap m;
5492     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5493     cout << q.subs(m) << endl;
5494 @}
5495 @end example
5496
5497
5498 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5499 @c    node-name, next, previous, up
5500 @section Symbolic differentiation
5501 @cindex differentiation
5502 @cindex @code{diff()}
5503 @cindex chain rule
5504 @cindex product rule
5505
5506 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5507 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5508 the derivatives of all the monomials:
5509
5510 @example
5511 @{
5512     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5513     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5514
5515     cout << P.diff(x,2) << endl;
5516      // -> 20*x^3 + 2
5517     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5518      // -> 1
5519     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5520      // -> 0
5521 @}
5522 @end example
5523
5524 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5525 returns the @var{n}th derivative.
5526
5527 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5528 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5529 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5530 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5531 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5532 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5533 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5534 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5535 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5536 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5537 lines:
5538
5539 @cindex Euler numbers
5540 @example
5541 #include <ginac/ginac.h>
5542 using namespace GiNaC;
5543
5544 ex EulerNumber(unsigned n)
5545 @{
5546     symbol x;
5547     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5548     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5549 @}
5550
5551 int main()
5552 @{
5553     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5554         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5555     return 0;
5556 @}
5557 @end example
5558
5559 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5560 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5561 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5562
5563
5564 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5565 @c    node-name, next, previous, up
5566 @section Series expansion
5567 @cindex @code{series()}
5568 @cindex Taylor expansion
5569 @cindex Laurent expansion
5570 @cindex @code{pseries} (class)
5571 @cindex @code{Order()}
5572
5573 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5574 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5575 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5576 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5577 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5578 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5579 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5580 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5581 term).  A sample application from special relativity could read:
5582
5583 @example
5584 #include <ginac/ginac.h>
5585 using namespace std;
5586 using namespace GiNaC;
5587
5588 int main()
5589 @{
5590     symbol v("v"), c("c");
5591     
5592     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5593     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5594     
5595     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5596          << mass_nonrel << endl;
5597     
5598     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5599          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5600 @}
5601 @end example
5602
5603 Only calling the series method makes the last output simplify to
5604 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5605 series raised to the power @math{-2}.
5606
5607 @cindex Machin's formula
5608 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5609 value of Archimedes' constant
5610 @tex
5611 $\pi$
5612 @end tex
5613 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5614 using John Machin's amazing formula
5615 @tex
5616 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5617 @end tex
5618 @ifnottex
5619 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5620 @end ifnottex
5621 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5622 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5623 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5624 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5625 order term with it and the question arises what the system is supposed
5626 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5627 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5628 term off:
5629
5630 @example
5631 #include <ginac/ginac.h>
5632 using namespace GiNaC;
5633
5634 ex machin_pi(int degr)
5635 @{
5636     symbol x;
5637     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5638     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5639                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5640     return pi_approx;
5641 @}
5642
5643 int main()
5644 @{
5645     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5646     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5647     ex pi_frac;
5648     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5649         pi_frac = machin_pi(i);
5650         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5651              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5652     @}
5653     return 0;
5654 @}
5655 @end example
5656
5657 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5658 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5659 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5660 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5661 program, it will type out:
5662
5663 @example
5664 2:      3804/1195
5665         3.1832635983263598326
5666 4:      5359397032/1706489875
5667         3.1405970293260603143
5668 6:      38279241713339684/12184551018734375
5669         3.141621029325034425
5670 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5671         3.141591772182177295
5672 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5673         3.1415926824043995174
5674 @end example
5675
5676
5677 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5678 @c    node-name, next, previous, up
5679 @section Symmetrization
5680 @cindex @code{symmetrize()}
5681 @cindex @code{antisymmetrize()}
5682 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5683
5684 The three methods
5685
5686 @example
5687 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5688 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5689 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5690 @end example
5691
5692 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5693 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5694 weighted by the number of permutations.
5695
5696 The three additional methods
5697
5698 @example
5699 ex ex::symmetrize();
5700 ex ex::antisymmetrize();
5701 ex ex::symmetrize_cyclic();
5702 @end example
5703
5704 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5705
5706 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5707 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5708
5709 @example
5710 @{
5711     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5712     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5713                                            
5714     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5715      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5716     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5717      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5718     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5719      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5720 @}
5721 @end example
5722
5723 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5724 @c    node-name, next, previous, up
5725 @section Predefined mathematical functions
5726 @c
5727 @subsection Overview
5728
5729 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5730
5731 @cartouche
5732 @multitable @columnfractions .30 .70
5733 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5734 @item @code{abs(x)}
5735 @tab absolute value
5736 @cindex @code{abs()}
5737 @item @code{csgn(x)}
5738 @tab complex sign
5739 @cindex @code{conjugate()}
5740 @item @code{conjugate(x)}
5741 @tab complex conjugation
5742 @cindex @code{csgn()}
5743 @item @code{sqrt(x)}
5744 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5745 @cindex @code{sqrt()}
5746 @item @code{sin(x)}
5747 @tab sine
5748 @cindex @code{sin()}
5749 @item @code{cos(x)}
5750 @tab cosine
5751 @cindex @code{cos()}
5752 @item @code{tan(x)}
5753 @tab tangent
5754 @cindex @code{tan()}
5755 @item @code{asin(x)}
5756 @tab inverse sine
5757 @cindex @code{asin()}
5758 @item @code{acos(x)}
5759 @tab inverse cosine
5760 @cindex @code{acos()}
5761 @item @code{atan(x)}
5762 @tab inverse tangent
5763 @cindex @code{atan()}
5764 @item @code{atan2(y, x)}
5765 @tab inverse tangent with two arguments
5766 @item @code{sinh(x)}
5767 @tab hyperbolic sine
5768 @cindex @code{sinh()}
5769 @item @code{cosh(x)}
5770 @tab hyperbolic cosine
5771 @cindex @code{cosh()}
5772 @item @code{tanh(x)}
5773 @tab hyperbolic tangent
5774 @cindex @code{tanh()}
5775 @item @code{asinh(x)}
5776 @tab inverse hyperbolic sine
5777 @cindex @code{asinh()}
5778 @item @code{acosh(x)}
5779 @tab inverse hyperbolic cosine
5780 @cindex @code{acosh()}
5781 @item @code{atanh(x)}
5782 @tab inverse hyperbolic tangent
5783 @cindex @code{atanh()}
5784 @item @code{exp(x)}
5785 @tab exponential function
5786 @cindex @code{exp()}
5787 @item @code{log(x)}
5788 @tab natural logarithm
5789 @cindex @code{log()}
5790 @item @code{Li2(x)}
5791 @tab dilogarithm
5792 @cindex @code{Li2()}
5793 @item @code{Li(m, x)}
5794 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5795 @cindex @code{Li()}
5796 @item @code{G(a, y)}
5797 @tab multiple polylogarithm
5798 @cindex @code{G()}
5799 @item @code{G(a, s, y)}
5800 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5801 @cindex @code{G()}
5802 @item @code{S(n, p, x)}
5803 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5804 @cindex @code{S()}
5805 @item @code{H(m, x)}
5806 @tab harmonic polylogarithm
5807 @cindex @code{H()}
5808 @item @code{zeta(m)}
5809 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5810 @cindex @code{zeta()}
5811 @item @code{zeta(m, s)}
5812 @tab alternating Euler sum
5813 @cindex @code{zeta()}
5814 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5815 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5816 @item @code{tgamma(x)}
5817 @tab gamma function
5818 @cindex @code{tgamma()}
5819 @cindex gamma function
5820 @item @code{lgamma(x)}
5821 @tab logarithm of gamma function
5822 @cindex @code{lgamma()}
5823 @item @code{beta(x, y)}
5824 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5825 @cindex @code{beta()}
5826 @item @code{psi(x)}
5827 @tab psi (digamma) function
5828 @cindex @code{psi()}
5829 @item @code{psi(n, x)}
5830 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5831 @item @code{factorial(n)}
5832 @tab factorial function @math{n!}
5833 @cindex @code{factorial()}
5834 @item @code{binomial(n, k)}
5835 @tab binomial coefficients
5836 @cindex @code{binomial()}
5837 @item @code{Order(x)}
5838 @tab order term function in truncated power series
5839 @cindex @code{Order()}
5840 @end multitable
5841 @end cartouche
5842
5843 @cindex branch cut
5844 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5845 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5846 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5847 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5848 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5849 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5850 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5851 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5852 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5853 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5854 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5855 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5856 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5857 compatible with C99.
5858
5859 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5860 @c    node-name, next, previous, up
5861 @subsection Multiple polylogarithms
5862
5863 @cindex polylogarithm
5864 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5865 @cindex harmonic polylogarithm
5866 @cindex multiple zeta value
5867 @cindex alternating Euler sum
5868 @cindex multiple polylogarithm
5869
5870 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5871 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5872 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5873 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5874 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5875 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5876 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5877 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5878 notations are more natural to the series representation or the integral
5879 representation, respectively.
5880
5881 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5882 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5883 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5884
5885 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5886 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5887 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5888 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5889 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5890 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5891 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5892 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5893 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5894 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5895 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5896
5897 The functions print in LaTeX format as
5898 @tex
5899 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5900 @end tex
5901 @tex
5902 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5903 @end tex
5904 @tex
5905 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5906 @end tex
5907 @tex
5908 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5909 @end tex
5910 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5911 are printed with a line above, e.g.
5912 @tex
5913 $\zeta(5,\overline{2})$.
5914 @end tex
5915 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5916
5917 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5918 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5919 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5920 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5921
5922 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5923 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5924 the series representation. This means
5925 @tex
5926 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5927 @end tex
5928 @tex
5929 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5930 @end tex
5931 @tex
5932 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5933 @end tex
5934 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5935 is reversed.
5936
5937 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5938 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5939 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5940 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5941 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5942 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5943 @tex
5944 $\zeta(\overline{3},4)$
5945 @end tex
5946 and
5947 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5948 @tex
5949 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5950 @end tex
5951 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5952 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5953 e.g. @code{lst(0,0,-1,0,1,0,0)}, @code{lst(0,0,-1,2,0,0)} and @code{lst(-3,2,0,0)} are equivalent as
5954 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5955 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5956 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5957 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5958
5959 @example
5960 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5961 S(2,2,x)
5962 > H(@{-3,2@},1);
5963 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5964 > S(3,1,1);
5965 1/90*Pi^4
5966 @end example
5967
5968 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5969 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5970 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5971 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5972 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5973 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5974
5975 @example
5976 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5977 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5978 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5979 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5980 @end example
5981
5982 Every function can be numerically evaluated for
5983 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5984 global variable @code{Digits}:
5985
5986 @example
5987 > Digits=100;
5988 100
5989 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5990 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5991 @end example
5992
5993 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5994 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5995
5996 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5997 unevaluated, e.g.
5998 @tex
5999 $\zeta(1)$.
6000 @end tex
6001 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6002 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6003 cancellations of divergencies happen.
6004
6005 Useful publications:
6006
6007 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6008 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6009
6010 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6011 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6012
6013 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6014 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6015
6016 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6017 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6018
6019 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
6020 @c    node-name, next, previous, up
6021 @section Complex Conjugation
6022 @c
6023 @cindex @code{conjugate()}
6024
6025 The method
6026
6027 @example
6028 ex ex::conjugate();
6029 @end example
6030
6031 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
6032 conjugation gives the expected results:
6033
6034 @example
6035 @{
6036     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6037     symbol x("x");
6038     realsymbol y("y");
6039                                            
6040     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6041      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6042     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6043      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6044 @}
6045 @end example
6046
6047 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
6048 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
6049 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
6050 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
6051 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
6052
6053 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
6054 @c    node-name, next, previous, up
6055 @section Solving Linear Systems of Equations
6056 @cindex @code{lsolve()}
6057
6058 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6059 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6060 needs to be solved:
6061
6062 @example
6063 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6064           unsigned options = solve_algo::automatic);
6065 @end example
6066
6067 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6068 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6069 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
6070 @code{lst}).
6071
6072 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6073 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6074
6075 @example
6076 @{
6077     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6078     lst eqns, vars;
6079     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6080     vars = x, y;
6081     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6082      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6083 @end example
6084
6085 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6086 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6087 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6088 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6089 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6090 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6091 around that method.
6092
6093
6094 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
6095 @c    node-name, next, previous, up
6096 @section Input and output of expressions
6097 @cindex I/O
6098
6099 @subsection Expression output
6100 @cindex printing
6101 @cindex output of expressions
6102
6103 Expressions can simply be written to any stream:
6104
6105 @example
6106 @{
6107     symbol x("x");
6108     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6109     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6110     // ...
6111 @end example
6112
6113 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6114 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6115 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6116 is printed as @samp{x^2}).
6117
6118 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6119 a set of stream manipulators;
6120
6121 @example
6122 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6123 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6124 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6125 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6126 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6127 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6128 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6129 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6130 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6131 @end example
6132
6133 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6134 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6135 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6136
6137 @cindex @code{dflt}
6138 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6139 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6140
6141 @example
6142     // ...
6143     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6144                               // now on
6145     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6146     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6147     cout << dflt;             // revert to default output format
6148     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6149     // ...
6150 @end example
6151
6152 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6153 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6154
6155 @example
6156     // ...
6157     ostringstream s;
6158     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6159     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6160     // ...
6161 @end example
6162
6163 @cindex @code{csrc}
6164 @cindex @code{csrc_float}
6165 @cindex @code{csrc_double}
6166 @cindex @code{csrc_cl_N}
6167 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6168 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6169 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6170 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6171 classes provided by the CLN library):
6172
6173 @example
6174     // ...
6175     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6176     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6177     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6178     // ...
6179 @end example
6180
6181 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6182 @code{x*x}):
6183
6184 @example
6185 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6186 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6187 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6188 @end example
6189
6190 @cindex @code{tree}
6191 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6192 expression for debugging purposes:
6193
6194 @example
6195     // ...
6196     cout << tree << e;
6197 @}
6198 @end example
6199
6200 produces
6201
6202 @example
6203 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6204     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6205         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6206         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6207     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6208     -----
6209     overall_coeff
6210     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6211     =====
6212 @end example
6213
6214 @cindex @code{latex}
6215 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6216 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6217 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6218 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6219 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6220 constructor.
6221
6222 For example, the code snippet
6223
6224 @example
6225 @{
6226     symbol x("x", "\\circ");
6227     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6228     cout << latex << e << endl;
6229 @}
6230 @end example
6231
6232 will print
6233
6234 @example
6235     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6236     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6237 @end example
6238
6239 @cindex @code{index_dimensions}
6240 @cindex @code{no_index_dimensions}
6241 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6242 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6243 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6244 formats:
6245
6246 @example
6247 @{
6248     symbol x("x"), y("y");
6249     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6250     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6251
6252     cout << e << endl;
6253      // prints 'x~mu*y~nu'
6254     cout << index_dimensions << e << endl;
6255      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6256     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6257      // prints 'x~mu*y~nu'
6258 @}
6259 @end example
6260
6261
6262 @cindex Tree traversal
6263 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6264 with other algebra systems or for producing code for different
6265 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6266
6267 @example
6268 static void my_print(const ex & e)
6269 @{
6270     if (is_a<function>(e))
6271         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6272     else
6273         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6274     cout << "(";
6275     size_t n = e.nops();
6276     if (n)
6277         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6278             my_print(e.op(i));
6279             if (i != n-1)
6280                 cout << ",";
6281         @}
6282     else
6283         cout << e;
6284     cout << ")";
6285 @}
6286
6287 int main()
6288 @{
6289     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6290     return 0;
6291 @}
6292 @end example
6293
6294 This will produce
6295
6296 @example
6297 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6298 symbol(y))),numeric(-2)))
6299 @end example
6300
6301 If you need an output format that makes it possible to accurately
6302 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6303 object factory, you should consider storing the expression in an
6304 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6305 See the section on archiving for more information.
6306
6307
6308 @subsection Expression input
6309 @cindex input of expressions
6310
6311 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6312 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6313 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6314 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6315 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6316
6317 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6318 list of symbols to be used:
6319
6320 @example
6321 @{
6322     symbol x("x"), y("y");
6323     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6324 @}
6325 @end example
6326
6327 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6328 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6329 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6330 the list it will throw an exception.
6331
6332 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6333
6334 @example
6335 #include <iostream>
6336 #include <string>
6337 #include <stdexcept>
6338 #include <ginac/ginac.h>
6339 using namespace std;
6340 using namespace GiNaC;
6341
6342 int main()
6343 @{
6344     symbol x("x");
6345     string s;
6346
6347     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6348     getline(cin, s);
6349
6350     try @{
6351         ex e(s, lst(x));
6352         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6353         cout << e.diff(x) << ".\n";
6354     @} catch (exception &p) @{
6355         cerr << p.what() << endl;
6356     @}
6357 @}
6358 @end example
6359
6360
6361 @subsection Archiving
6362 @cindex @code{archive} (class)
6363 @cindex archiving
6364
6365 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6366 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6367 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6368 expression a unique name:
6369
6370 @example
6371 #include <fstream>
6372 using namespace std;
6373 #include <ginac/ginac.h>
6374 using namespace GiNaC;
6375
6376 int main()
6377 @{
6378     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6379
6380     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6381     ex bar = foo + 1;
6382
6383     archive a;
6384     a.archive_ex(foo, "foo");
6385     a.archive_ex(bar, "the second one");
6386     // ...
6387 @end example
6388
6389 The archive can then be written to a file:
6390
6391 @example
6392     // ...
6393     ofstream out("foobar.gar");
6394     out << a;
6395     out.close();
6396     // ...
6397 @end example
6398
6399 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6400 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6401
6402 @cindex @command{viewgar}
6403 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6404 the contents of GiNaC archive files:
6405
6406 @example
6407 $ viewgar foobar.gar
6408 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6409 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6410 @end example
6411
6412 The point of writing archive files is of course that they can later be
6413 read in again:
6414
6415 @example
6416     // ...
6417     archive a2;
6418     ifstream in("foobar.gar");
6419     in >> a2;
6420     // ...
6421 @end example
6422
6423 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6424
6425 @example
6426     // ...
6427     lst syms;
6428     syms = x, y;
6429
6430     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6431     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6432
6433     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6434     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6435     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6436 @}
6437 @end example
6438
6439 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6440 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6441 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6442 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6443 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6444 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6445 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6446 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6447
6448 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6449 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6450 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6451 functions that let you access the stored properties:
6452
6453 @example
6454 static void my_print2(const archive_node & n)
6455 @{
6456     string class_name;
6457     n.find_string("class", class_name);
6458     cout << class_name << "(";
6459
6460     archive_node::propinfovector p;
6461     n.get_properties(p);
6462
6463     size_t num = p.size();
6464     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6465         const string &name = p[i].name;
6466         if (name == "class")
6467             continue;
6468         cout << name << "=";
6469
6470         unsigned count = p[i].count;
6471         if (count > 1)
6472             cout << "@{";
6473
6474         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6475             switch (p[i].type) @{
6476                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6477                     bool x;
6478                     n.find_bool(name, x, j);
6479                     cout << (x ? "true" : "false");
6480                     break;
6481                 @}
6482                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6483                     unsigned x;
6484                     n.find_unsigned(name, x, j);
6485                     cout << x;
6486                     break;
6487                 @}
6488                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6489                     string x;
6490                     n.find_string(name, x, j);
6491                     cout << '\"' << x << '\"';
6492                     break;
6493                 @}
6494                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6495                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6496                     my_print2(x);
6497                     break;
6498                 @}
6499             @}
6500
6501             if (j != count-1)
6502                 cout << ",";
6503         @}
6504
6505         if (count > 1)
6506             cout << "@}";
6507
6508         if (i != num-1)
6509             cout << ",";
6510     @}
6511
6512     cout << ")";
6513 @}
6514
6515 int main()
6516 @{
6517     ex e = pow(2, x) - y;
6518     archive ar(e, "e");
6519     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6520     return 0;
6521 @}
6522 @end example
6523
6524 This will produce:
6525
6526 @example
6527 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6528 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6529 overall_coeff=numeric(number="0"))
6530 @end example
6531
6532 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6533 class may change between GiNaC versions.
6534
6535
6536 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6537 @c    node-name, next, previous, up
6538 @chapter Extending GiNaC
6539
6540 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6541 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6542 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6543 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6544 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6545 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6546
6547 @menu
6548 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6549 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6550 * Printing::                         Adding new output formats.
6551 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6552 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6553 @end menu
6554
6555
6556 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6557 @c    node-name, next, previous, up
6558 @section What doesn't belong into GiNaC
6559
6560 @cindex @command{ginsh}
6561 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6562 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6563 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6564 language.  There are no loops or conditional expressions in
6565 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6566 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6567 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6568 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6569 the future.
6570
6571 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6572 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6573 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6574 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6575 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6576 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6577 provided by CLN are much better suited.
6578
6579
6580 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6581 @c    node-name, next, previous, up
6582 @section Symbolic functions
6583
6584 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6585 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6586 two preprocessor macros:
6587
6588 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6589 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6590 @example
6591 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6592 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6593 @end example
6594
6595 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6596 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6597 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6598 @code{function} object that represents your function.
6599
6600 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6601 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6602 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6603 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6604 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6605 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6606 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6607 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6608
6609 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6610 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6611 done our best to avoid macros where we can.)
6612
6613 @subsection A minimal example
6614
6615 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6616 that is not further evaluated:
6617
6618 @example
6619 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6620
6621 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6622 @end example
6623
6624 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6625 in algebraic expressions:
6626
6627 @example
6628 @{
6629     ...
6630     symbol x("x");
6631     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6632     cout << e << endl;
6633      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6634     ...
6635 @}
6636 @end example
6637
6638 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6639 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6640 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6641 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6642
6643 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6644 example of how to make an "intelligent" function.
6645
6646 @subsection The cosine function
6647
6648 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6649
6650 @example
6651 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6652 @end example
6653
6654 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6655 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6656 this function in expressions.
6657
6658 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6659 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6660
6661 @example
6662 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6663                        evalf_func(cos_evalf).
6664                        derivative_func(cos_deriv).
6665                        latex_name("\\cos"));
6666 @end example
6667
6668 There are four options defined for the cosine function. One of them
6669 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6670 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6671 function are defined.
6672
6673 @cindex @code{hold()}
6674 @cindex evaluation
6675 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6676 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6677 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6678 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6679 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6680 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6681 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6682 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6683 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6684 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6685 somewhere.
6686
6687 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6688 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6689 what is going on):
6690
6691 @example
6692 static ex cos_eval(const ex & x)
6693 @{
6694     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6695         return 1;
6696     else if ("x is a multiple of Pi")
6697         return -1;
6698     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6699         return 0;
6700     // more rules...
6701
6702     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6703         return y;
6704     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6705         return sqrt(1-y^2);
6706     // more rules...
6707
6708     else
6709         return cos(x).hold();
6710 @}
6711 @end example
6712
6713 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6714
6715 @example
6716 @{
6717     ...
6718     e = cos(Pi);
6719      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6720      // the actual expression
6721     cout << e << endl;
6722      // prints '-1'
6723     ...
6724 @}
6725 @end example
6726
6727 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6728 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6729 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6730 with @code{.hold()}.
6731
6732 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6733 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6734 different function:
6735
6736 @example
6737 static ex cos_evalf(const ex & x)
6738 @{
6739     if (is_a<numeric>(x))
6740         return cos(ex_to<numeric>(x));
6741     else
6742         return cos(x).hold();
6743 @}
6744 @end example
6745
6746 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6747 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6748 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6749 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6750 function would require it in this place.
6751
6752 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6753 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6754 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6755 @code{ex::diff}):
6756
6757 @example
6758 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6759 @{
6760     return -sin(x);
6761 @}
6762 @end example
6763
6764 @cindex product rule
6765 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6766 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6767 case the function has more than one parameter, and its main application
6768 is for correct handling of the chain rule.
6769
6770 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6771 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6772 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6773 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6774
6775 @example
6776 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6777                      int order, unsigned options)
6778 @{
6779     // Find the actual expansion point
6780     const ex x_pt = x.subs(rel);
6781
6782     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6783         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6784
6785     // On a pole, expand sin()/cos()
6786     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6787 @}
6788 @end example
6789
6790 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6791 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6792
6793 @subsection Function options
6794
6795 GiNaC functions understand several more options which are always
6796 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6797 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6798 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6799 functions without any special options.
6800
6801 @example
6802 eval_func(<C++ function>)
6803 evalf_func(<C++ function>)
6804 derivative_func(<C++ function>)
6805 series_func(<C++ function>)
6806 conjugate_func(<C++ function>)
6807 @end example
6808
6809 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6810 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6811 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6812 @code{diff()} and @code{series()}.
6813
6814 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6815 automatic evaluation is desired or possible.
6816
6817 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6818 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6819 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6820 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6821 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6822 suitable transformation.
6823
6824 @example
6825 latex_name(const string & n)
6826 @end example
6827
6828 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6829 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6830
6831 @example
6832 do_not_evalf_params()
6833 @end example
6834
6835 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6836 function before calling the @code{evalf_func()}.
6837
6838 @example
6839 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6840 @end example
6841
6842 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6843 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6844 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6845 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6846 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6847 commutation properties of their first argument.
6848
6849 @example
6850 set_symmetry(const symmetry & s)
6851 @end example
6852
6853 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6854 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6855 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6856 symmetric functions into a canonical order.
6857
6858 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6859 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6860 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6861 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6862 with the
6863
6864 @example
6865 print_func<C>(<C++ function>)
6866 @end example
6867
6868 option which is explained in the next section.
6869
6870 @subsection Functions with a variable number of arguments
6871
6872 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6873 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6874 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6875 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6876 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6877
6878 It is also possible to define functions that accept a different number of
6879 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6880 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6881 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6882 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6883 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6884 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6885 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6886 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6887
6888
6889 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6890 @c    node-name, next, previous, up
6891 @section GiNaC's expression output system
6892
6893 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6894 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6895 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6896 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6897 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6898 functions.
6899
6900 @cindex @code{print_context} (class)
6901 @cindex @code{print_dflt} (class)
6902 @cindex @code{print_latex} (class)
6903 @cindex @code{print_tree} (class)
6904 @cindex @code{print_csrc} (class)
6905 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6906 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6907 header file:
6908
6909 @table @code
6910 @item print_dflt
6911 the default output format
6912 @item print_latex
6913 output in LaTeX mathematical mode
6914 @item print_tree
6915 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6916 @item print_csrc
6917 the base class for C source output
6918 @item print_csrc_float
6919 C source output using the @code{float} type
6920 @item print_csrc_double
6921 C source output using the @code{double} type
6922 @item print_csrc_cl_N
6923 C source output using CLN types
6924 @end table
6925
6926 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6927
6928 @example
6929 class print_context
6930 @{
6931     ...
6932 public:
6933     std::ostream & s;
6934     unsigned options;
6935 @};
6936 @end example
6937
6938 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6939 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6940 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6941 to print the index dimension which is normally hidden.
6942
6943 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6944 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6945 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6946 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6947
6948 @cindex @code{print()}
6949 @example
6950 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6951 @end example
6952
6953 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6954 top-level algebraic object contained in the expression.
6955
6956 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6957 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6958 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6959 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6960 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6961 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6962 (single) virtual function dispatch.
6963
6964 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6965 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6966 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6967 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6968 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6969 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6970 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6971 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6972 object's class name enclosed in square brackets).
6973
6974 You can think of the print methods of all the different classes and output
6975 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6976 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6977 classes.
6978
6979 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6980 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6981 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6982 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6983 methods at run-time).
6984
6985 @subsection Print methods for classes
6986
6987 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6988 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6989 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6990 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6991 can also be used to override existing methods dynamically.
6992
6993 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6994 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6995 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6996 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6997 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6998 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6999 the class is the one being implemented by
7000 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7001
7002 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7003 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7004 @code{unsigned}.
7005
7006 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7007 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7008 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7009 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7010 private and protected members of @code{T}.
7011
7012 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7013 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7014 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7015 purposes if you write your own output formats.
7016
7017 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7018 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7019 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7020 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7021
7022 @example
7023 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7024                              const print_latex & c,
7025                              unsigned level)
7026 @{
7027     // get the precedence of the 'power' class
7028     unsigned power_prec = p.precedence();
7029
7030     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7031     // we need parentheses around the power
7032     if (level >= power_prec)
7033         c.s << '(';
7034
7035     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7036     // separated by an uparrow
7037     c.s << '@{';
7038     p.op(0).print(c, power_prec);
7039     c.s << "@}\\uparrow@{";
7040     p.op(1).print(c, power_prec);
7041     c.s << '@}';
7042
7043     // don't forget the closing parenthesis
7044     if (level >= power_prec)
7045         c.s << ')';
7046 @}
7047                                                                                 
7048 int main()
7049 @{
7050     // a sample expression
7051     symbol x("x"), y("y");
7052     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7053
7054     // switch to LaTeX mode
7055     cout << latex;
7056
7057     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7058     cout << e << endl;
7059
7060     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7061     // our own one
7062     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7063
7064     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7065     //              \uparrow@{2@}@}"
7066     cout << e << endl;
7067 @}
7068 @end example
7069
7070 Some notes:
7071
7072 @itemize
7073
7074 @item
7075 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7076 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7077
7078 @item
7079 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7080 @code{power} objects for the purpose of printing.
7081
7082 @item
7083 The output of products including negative powers as fractions is also
7084 controlled by the @code{mul} class.
7085
7086 @item
7087 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7088 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7089
7090 @end itemize
7091
7092 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7093 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7094 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7095 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7096 sources, find the method that is installed at startup
7097 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7098 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7099
7100 @subsection Print methods for functions
7101
7102 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7103 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7104 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7105 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7106 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7107
7108 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7109
7110 @example
7111 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7112 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7113                                                                                 
7114 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7115 @{
7116     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7117 @}
7118                                                                                 
7119 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7120 @{
7121     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7122 @}
7123                                                                                 
7124 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7125                        evalf_func(abs_evalf).
7126                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7127                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7128                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7129 @end example
7130
7131 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7132 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7133
7134 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7135
7136 @subsection Adding new output formats
7137
7138 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7139 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7140 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7141 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7142 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7143 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7144 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7145 options value.
7146
7147 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7148
7149 @example
7150 class print_myformat : public print_dflt
7151 @{
7152     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7153 public:
7154     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7155      : print_dflt(os, opt) @{@}
7156 @};
7157
7158 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7159
7160 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7161 @end example
7162
7163 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7164 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7165 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7166 format are implemented as print methods, as described above.
7167
7168 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7169 exactly like GiNaC's default output format:
7170
7171 @example
7172 @{
7173     symbol x("x");
7174     ex e = pow(x, 2) + 1;
7175
7176     // this prints "1+x^2"
7177     cout << e << endl;
7178     
7179     // this also prints "1+x^2"
7180     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7181
7182     ...
7183 @}
7184 @end example
7185
7186 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7187 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7188
7189 @example
7190 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7191 // example above for explanations.
7192 void print_power_as_myformat(const power & p,
7193                              const print_myformat & c,
7194                              unsigned level)
7195 @{
7196     unsigned power_prec = p.precedence();
7197     if (level >= power_prec)
7198         c.s << '(';
7199     p.op(0).print(c, power_prec);
7200     c.s << "**";
7201     p.op(1).print(c, power_prec);
7202     if (level >= power_prec)
7203         c.s << ')';
7204 @}
7205
7206 @{
7207     ...
7208     // install a new print method for power objects
7209     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7210
7211     // now this prints "1+x**2"
7212     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7213
7214     // but the default format is still "1+x^2"
7215     cout << e << endl;
7216 @}
7217 @end example
7218
7219
7220 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7221 @c    node-name, next, previous, up
7222 @section Structures
7223
7224 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7225 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7226 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7227 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7228 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7229
7230 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7231 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7232 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7233 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7234 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7235 read both sections because many common concepts and member functions are
7236 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7237 is most suited to your needs.
7238
7239 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7240 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7241 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7242
7243 @subsection Example: scalar products
7244
7245 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7246 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7247 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7248 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7249 product in a C++ @code{struct}:
7250
7251 @example
7252 #include <iostream>
7253 using namespace std;
7254
7255 #include <ginac/ginac.h>
7256 using namespace GiNaC;
7257
7258 struct sprod_s @{
7259     ex left, right;
7260
7261     sprod_s() @{@}
7262     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7263 @};
7264 @end example
7265
7266 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7267 data structure, we need only one line:
7268
7269 @example
7270 typedef structure<sprod_s> sprod;
7271 @end example
7272
7273 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7274 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7275 expressions like any other GiNaC class:
7276
7277 @example
7278 ...
7279     symbol a("a"), b("b");
7280     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7281 ...
7282 @end example
7283
7284 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7285 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7286 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7287 constructed from an @code{sprod_s} object.
7288
7289 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7290 you could define a little wrapper function like this:
7291
7292 @example
7293 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7294 @{
7295     return sprod(sprod_s(left, right));
7296 @}
7297 @end example
7298
7299 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7300 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7301 @code{get_struct()}:
7302
7303 @example
7304 ...
7305     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7306      // -> a
7307     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7308      // -> b
7309 ...
7310 @end example
7311
7312 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7313
7314 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7315 that deal with scalar products, for example:
7316
7317 @example
7318 ex swap_sprod(ex p)
7319 @{
7320     if (is_a<sprod>(p)) @{
7321         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7322         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7323     @} else
7324         return p;
7325 @}
7326
7327 ...
7328     f = swap_sprod(e);
7329      // f is now <b|a>
7330 ...
7331 @end example
7332
7333 @subsection Structure output
7334
7335 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7336 desired, most notably proper output:
7337
7338 @example
7339 ...
7340     cout << e << endl;
7341      // -> [structure object]
7342 ...
7343 @end example
7344
7345 By default, any structure types you define will be printed as
7346 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7347 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7348 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7349 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7350 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7351 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7352
7353 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7354 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7355
7356 @example
7357 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7358 @{
7359     // tree debug output handled by superclass
7360     if (is_a<print_tree>(c))
7361         inherited::print(c, level);
7362
7363     // get the contained sprod_s object
7364     const sprod_s & sp = get_struct();
7365
7366     // print_context::s is a reference to an ostream
7367     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7368 @}
7369 @end example
7370
7371 Now we can print expressions containing scalar products:
7372
7373 @example
7374 ...
7375     cout << e << endl;
7376      // -> <a|b>
7377     cout << swap_sprod(e) << endl;
7378      // -> <b|a>
7379 ...
7380 @end example
7381
7382 @subsection Comparing structures
7383
7384 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7385 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7386 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7387 and undesired behavior:
7388
7389 @example
7390 ...
7391     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7392      // -> 0
7393     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7394      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7395 ...
7396 @end example
7397
7398 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7399 for objects of type @code{sprod_s}:
7400
7401 @example
7402 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7403 @{
7404     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7405 @}
7406
7407 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7408 @{
7409     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7410            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7411 @}
7412 @end example
7413
7414 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7415 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7416 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7417 in the implementation of these operators because they would construct
7418 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7419 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7420 decide which one is algebraically 'less').
7421
7422 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7423 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7424
7425 @example
7426 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7427 @end example
7428
7429 @code{sprod} objects then behave as expected:
7430
7431 @example
7432 ...
7433     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7434      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7435     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7436      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7437     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7438      // -> 0
7439     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7440      // -> 2*<a|b>
7441 ...
7442 @end example
7443
7444 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7445 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7446 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7447 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7448 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7449 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7450
7451 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7452 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7453 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7454 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7455 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7456 undefined value) that the @code{T} class might have.
7457
7458 @subsection Subexpressions
7459
7460 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7461 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7462 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7463
7464 @example
7465 size_t sprod::nops() const
7466 @{
7467     return 2;
7468 @}
7469
7470 ex sprod::op(size_t i) const
7471 @{
7472     switch (i) @{
7473     case 0:
7474         return get_struct().left;
7475     case 1:
7476         return get_struct().right;
7477     default:
7478         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7479     @}
7480 @}
7481 @end example
7482
7483 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7484 @code{sprod} has two other nice side effects:
7485
7486 @itemize @bullet
7487 @item
7488 @code{has()} works as expected
7489 @item
7490 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7491 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7492 @end itemize
7493
7494 @cindex @code{let_op()}
7495 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7496 allows replacing subexpressions:
7497
7498 @example
7499 ex & sprod::let_op(size_t i)
7500 @{
7501     // every non-const member function must call this
7502     ensure_if_modifiable();
7503
7504     switch (i) @{
7505     case 0:
7506         return get_struct().left;
7507     case 1:
7508         return get_struct().right;
7509     default:
7510         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7511     @}
7512 @}
7513 @end example
7514
7515 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7516 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7517 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7518 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7519
7520 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7521 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7522 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7523 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7524 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7525 This is left as an exercise for the reader.
7526
7527 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7528 you can override by specialization to customize the behavior of your
7529 structures. You are referred to the next section for a description of
7530 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7531 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7532 @code{structure<T>} template: archiving.
7533
7534 @subsection Archiving structures
7535
7536 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7537 should first read the next section and then come back here. You're back?
7538 Good.
7539
7540 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7541 specializations for the @code{archive()} member function and the
7542 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7543 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7544 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7545 the class of an object is stored as a string, the class name.
7546
7547 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7548 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7549 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7550 need to provide a different name for each by specializing the
7551 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7552 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7553
7554 @example
7555 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7556
7557 void sprod::archive(archive_node & n) const
7558 @{
7559     inherited::archive(n);
7560     n.add_ex("left", get_struct().left);
7561     n.add_ex("right", get_struct().right);
7562 @}
7563
7564 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7565 @{
7566     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7567     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7568 @}
7569 @end example
7570
7571 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7572 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7573 @code{sprod::unarchive()} function.
7574
7575
7576 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7577 @c    node-name, next, previous, up
7578 @section Adding classes
7579
7580 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7581 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7582 severe of which being that you can't add any new member functions to
7583 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7584 from scratch.
7585
7586 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7587 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7588 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7589 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7590 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7591 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7592 representing tensor products is more involved but this section should give
7593 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7594 classes if you want to implement something more complicated.
7595
7596 @subsection GiNaC's run-time type information system
7597
7598 @cindex hierarchy of classes
7599 @cindex RTTI
7600 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7601 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7602 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7603 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7604 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7605 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7606 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7607 system that provides this kind of information is called a run-time type
7608 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7609 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7610 implements its own, simpler RTTI.
7611
7612 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7613
7614 @itemize @bullet
7615
7616 @item
7617 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7618 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7619 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7620 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7621
7622 @item
7623 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7624 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7625 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7626 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7627 @file{registrar.h} header file.
7628
7629 @end itemize
7630
7631 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7632 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7633 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7634 macros.
7635
7636 @subsection A minimalistic example
7637
7638 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7639 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7640 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7641 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7642 for your own classes.
7643
7644 The code snippets given here assume that you have included some header files
7645 as follows:
7646
7647 @example
7648 #include <iostream>
7649 #include <string>   
7650 #include <stdexcept>
7651 using namespace std;
7652
7653 #include <ginac/ginac.h>
7654 using namespace GiNaC;
7655 @end example
7656
7657 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7658 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7659 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7660 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7661 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7662 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7663
7664 @example
7665 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7666 @end example
7667
7668 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7669 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7670 object from a C or C++ string:
7671
7672 @example
7673 class mystring : public basic
7674 @{
7675     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7676   
7677 public:
7678     mystring(const string &s);
7679     mystring(const char *s);
7680
7681 private:
7682     string str;
7683 @};
7684
7685 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7686 @end example
7687
7688 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7689 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7690 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7691 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7692 the first line after the opening brace of the class definition. The
7693 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7694 source (at global scope, of course, not inside a function).
7695
7696 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7697 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7698 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7699 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7700 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7701 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7702 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7703 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7704
7705 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7706 class:
7707
7708 @itemize
7709
7710 @item
7711 @code{mystring()}, the default constructor.
7712
7713 @item
7714 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7715 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7716 @code{archive_node}.
7717
7718 @item
7719 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7720 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7721 found in an @code{archive_node}.
7722
7723 @item
7724 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7725 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7726 constructor.
7727
7728 @item
7729 @cindex @code{compare_same_type()}
7730 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7731 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7732 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7733 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7734 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7735 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7736 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7737 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7738 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7739 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7740 defined.
7741
7742 @item
7743 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7744 which are the two constructors we declared.
7745
7746 @end itemize
7747
7748 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7749
7750 @example
7751 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7752 @end example
7753
7754 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7755 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7756 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7757 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7758 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7759 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7760 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7761 to the right value manually.
7762
7763 In the default constructor you should set all other member variables to
7764 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7765 member gets set to an empty string automatically).
7766
7767 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7768 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7769 is really simple.  First, the archiving function:
7770
7771 @example
7772 void mystring::archive(archive_node &n) const
7773 @{
7774     inherited::archive(n);
7775     n.add_string("string", str);
7776 @}
7777 @end example
7778
7779 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7780 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7781 deem necessary for representing the object into the passed
7782 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7783 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7784 file.
7785
7786 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7787 function:
7788
7789 @example
7790 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7791 @{
7792     n.find_string("string", str);
7793 @}
7794 @end example
7795
7796 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7797 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7798 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7799 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7800
7801 Finally, the unarchiving function:
7802
7803 @example
7804 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7805 @{
7806     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7807 @}
7808 @end example
7809
7810 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7811 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7812 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7813 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7814 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7815 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7816 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7817 automatically once it is no longer referenced.
7818
7819 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7820 the string members:
7821
7822 @example
7823 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7824 @{
7825     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7826     int cmpval = str.compare(o.str);
7827     if (cmpval == 0)
7828         return 0;
7829     else if (cmpval < 0)
7830         return -1;
7831     else
7832         return 1;
7833 @}
7834 @end example
7835
7836 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7837 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7838 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7839 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7840 all relevant member variables.
7841
7842 Now the only thing missing is our two new constructors:
7843
7844 @example
7845 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7846 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7847 @end example
7848
7849 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7850 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7851
7852 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7853 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7854
7855 @example
7856 ex e = mystring("Hello, world!");
7857 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7858  // -> 1 (true)
7859
7860 cout << e.bp->class_name() << endl;
7861  // -> mystring
7862 @end example
7863
7864 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7865
7866 @example
7867 cout << e << endl;
7868  // -> [mystring object]
7869 @end example
7870
7871 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7872 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7873 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7874 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7875 surrounded by double quotes:
7876
7877 @example
7878 class mystring : public basic
7879 @{
7880     ...
7881 protected:
7882     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7883     ...
7884 @};
7885
7886 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7887 @{
7888     // print_context::s is a reference to an ostream
7889     c.s << '\"' << str << '\"';
7890 @}
7891 @end example
7892
7893 The @code{level} argument is only required for container classes to
7894 correctly parenthesize the output.
7895
7896 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7897 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7898 replace the line
7899
7900 @example
7901 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7902 @end example
7903
7904 with
7905
7906 @example
7907 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7908   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7909 @end example
7910
7911 Let's try again to print the expression:
7912
7913 @example
7914 cout << e << endl;
7915  // -> "Hello, world!"
7916 @end example
7917
7918 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7919 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7920 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7921 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7922 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7923 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7924 way expression output is implemented in GiNaC.
7925
7926 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7927
7928 @example
7929 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7930 cout << e << endl;
7931  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7932 @end example
7933
7934 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7935
7936 @example
7937 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7938 cout << e << endl;
7939  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7940 @end example
7941
7942 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7943 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7944 for your objects.
7945
7946 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7947
7948 @example
7949 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7950 cout << e << endl;
7951  // -> "Wow"^2
7952
7953 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7954 cout << e.expand() << endl;
7955  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7956 @end example
7957
7958 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7959 concatenation. You would have to implement this yourself.
7960
7961 @subsection Automatic evaluation
7962
7963 @cindex evaluation
7964 @cindex @code{eval()}
7965 @cindex @code{hold()}
7966 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7967 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7968 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7969 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7970 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7971 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7972
7973 @example
7974 class mystring : public basic
7975 @{
7976     ...
7977 public:
7978     ex eval(int level = 0) const;
7979     ...
7980 @};
7981
7982 ex mystring::eval(int level) const
7983 @{
7984     string new_str;
7985     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7986         char c = str[i];
7987         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7988             new_str += tolower(c);
7989         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7990             new_str += c;
7991     @}
7992
7993     if (new_str.length() == 0)
7994         return 0;
7995     else
7996         return mystring(new_str).hold();
7997 @}
7998 @end example
7999
8000 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8001 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8002 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8003 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8004 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8005 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8006 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8007 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8008
8009 Let's confirm that it works:
8010
8011 @example
8012 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8013 cout << e << endl;
8014  // -> "helloworld"
8015
8016 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8017 cout << e << endl;
8018  // -> 3*"wow"
8019 @end example
8020
8021 @subsection Optional member functions
8022
8023 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8024 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8025 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8026
8027 @cindex @code{calchash()}
8028 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8029 @example
8030 unsigned calchash() const;
8031 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
8032 @end example
8033
8034 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8035 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8036 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8037 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8038 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8039 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8040
8041 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8042 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8043 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8044 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8045
8046 @subsection Other member functions
8047
8048 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8049 might want to provide:
8050
8051 @example
8052 bool info(unsigned inf) const;
8053 ex evalf(int level = 0) const;
8054 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8055 ex derivative(const symbol & s) const;
8056 @end example
8057
8058 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8059 previous section) you will probably want to override
8060
8061 @cindex @code{let_op()}
8062 @example
8063 size_t nops() cont;
8064 ex op(size_t i) const;
8065 ex & let_op(size_t i);
8066 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8067 ex map(map_function & f) const;
8068 @end example
8069
8070 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8071 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8072 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8073
8074 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8075 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8076 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8077 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8078 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8079 should become a need.
8080
8081 That's it. May the source be with you!
8082
8083
8084 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8085 @c    node-name, next, previous, up
8086 @chapter A Comparison With Other CAS
8087 @cindex advocacy
8088
8089 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8090 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8091 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8092 disadvantages over these systems.
8093
8094 @menu
8095 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8096 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8097 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8098 @end menu
8099
8100 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
8101 @c    node-name, next, previous, up
8102 @section Advantages
8103
8104 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8105 Algebra Systems, like 
8106
8107 @itemize @bullet
8108
8109 @item
8110 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8111 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8112 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8113 in common C++, which is standardized.
8114
8115 @cindex STL
8116 @item
8117 structured data types: you can build up structured data types using
8118 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8119 using unnamed lists of lists of lists.
8120
8121 @item
8122 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8123 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8124 nice for novice programmers, but dangerous.
8125     
8126 @item
8127 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8128 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8129 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8130
8131 @item
8132 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8133 separating interface and implementation.
8134
8135 @item
8136 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8137 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8138 C++-compilers for free, too.
8139     
8140 @item
8141 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8142 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8143 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8144 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8145 fix bugs in a traditional system.
8146
8147 @item
8148 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8149 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8150 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8151 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8152 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8153 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8154 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8155 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8156 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8157 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8158 FTP-site.
8159
8160 @item
8161 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8162 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8163 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8164 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8165 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8166 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8167 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8168 system (i.e. @emph{Yacas}).
8169
8170 @item
8171 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8172 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8173 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8174 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8175 speed with other CAS.
8176
8177 @end itemize
8178
8179
8180 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8181 @c    node-name, next, previous, up
8182 @section Disadvantages
8183
8184 Of course it also has some disadvantages:
8185
8186 @itemize @bullet
8187
8188 @item
8189 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8190 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8191 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8192 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8193 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8194 not planned for the near future).
8195
8196 @item
8197 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8198 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8199 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8200 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8201 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8202 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8203 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8204 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8205 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8206 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8207 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8208 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8209 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8210 yet ANSI compliant, support all needed features.
8211     
8212 @end itemize
8213
8214
8215 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8216 @c    node-name, next, previous, up
8217 @section Why C++?
8218
8219 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8220 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8221 possible), separation between interface and implementation is not
8222 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8223 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8224 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8225 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8226 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8227 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8228 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8229 any other programming language.
8230
8231
8232 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8233 @c    node-name, next, previous, up
8234 @appendix Internal Structures
8235
8236 @menu
8237 * Expressions are reference counted::
8238 * Internal representation of products and sums::
8239 @end menu
8240
8241 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8242 @c    node-name, next, previous, up
8243 @appendixsection Expressions are reference counted
8244
8245 @cindex reference counting
8246 @cindex copy-on-write
8247 @cindex garbage collection
8248 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8249 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8250 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8251 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8252 skip the rest of this passage.
8253
8254 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8255 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8256 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8257 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8258 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8259 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8260 of code:
8261
8262 @example
8263 #include <iostream>
8264 #include <ginac/ginac.h>
8265 using namespace std;
8266 using namespace GiNaC;
8267
8268 int main()
8269 @{
8270     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8271     ex e1, e2;
8272
8273     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8274     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8275     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8276     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8277     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8278 @}
8279 @end example
8280
8281 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8282 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8283 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8284 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8285 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8286 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8287 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8288 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8289 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8290 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8291 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8292 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8293 can be:
8294
8295 @example
8296 @{
8297     symbol x("x"), y("y");
8298
8299     ex e1 = x + 3*y;
8300     ex e2 = pow(e1, 3);
8301     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8302     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8303          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8304          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8305 @}
8306 @end example
8307
8308 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8309 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8310 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8311 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8312 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8313 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8314 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8315 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8316 @code{3*e1^2}.
8317
8318 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8319 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8320 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8321 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8322 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8323 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8324 semantics, we recommend you have a look at the
8325 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8326 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8327 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8328
8329
8330 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8331 @c    node-name, next, previous, up
8332 @appendixsection Internal representation of products and sums
8333
8334 @cindex representation
8335 @cindex @code{add}
8336 @cindex @code{mul}
8337 @cindex @code{power}
8338 Although it should be completely transparent for the user of
8339 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8340 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8341 unexpanded symbolic expression 
8342 @tex
8343 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8344 @end tex
8345 @ifnottex
8346 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8347 @end ifnottex
8348 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8349 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8350 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8351 fashion:
8352
8353 @image{repnaive}
8354
8355 @cindex pair-wise representation
8356 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8357 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8358 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8359 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8360 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8361 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8362 becomes much more flat:
8363
8364 @image{reppair}
8365
8366 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8367 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8368 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8369 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8370 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8371 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8372 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8373 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8374 representation, however, since they are still carrying a trivial
8375 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8376 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8377 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8378 representation for
8379 @tex
8380 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8381 @end tex
8382 @ifnottex
8383 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8384 @end ifnottex
8385
8386 @image{repreal}
8387
8388 @cindex radical
8389 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8390 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8391 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8392 same abstract class: the data representation is the same, only the
8393 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8394 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8395 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8396
8397
8398 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8399 @c    node-name, next, previous, up
8400 @appendix Package Tools
8401
8402 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8403 setting the correct command line options for the compiler and linker
8404 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8405
8406 @menu
8407 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8408 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8409 @end menu
8410
8411
8412 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8413 @c    node-name, next, previous, up
8414 @section @command{ginac-config}
8415 @cindex ginac-config
8416
8417 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8418 the compiler and linker command line options required to compile and
8419 link a program with the GiNaC library.
8420
8421 @command{ginac-config} takes the following flags:
8422
8423 @table @samp
8424 @item --version
8425 Prints out the version of GiNaC installed.
8426 @item --cppflags
8427 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8428 @item --libs
8429 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8430 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8431 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8432 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8433 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8434 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8435 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8436 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8437 @end table
8438
8439 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8440 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8441 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8442 example:
8443
8444 @example
8445 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8446 @end example
8447
8448 This command line might expand to (for example):
8449
8450 @example
8451 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8452   -lginac -lcln -lstdc++
8453 @end example
8454
8455 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8456 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8457
8458
8459 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8460 @c    node-name, next, previous, up
8461 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8462 @cindex AM_PATH_GINAC
8463
8464 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8465 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8466
8467 @example
8468 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8469               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8470 @end example
8471
8472 This macro:
8473
8474 @itemize @bullet
8475
8476 @item
8477 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8478 either found in the user's path, or from the environment variable
8479 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8480
8481 @item
8482 Tests the installed libraries to make sure that their version
8483 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8484 if not specified)
8485
8486 @item
8487 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8488 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8489 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8490 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8491 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8492
8493 @item
8494 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8495 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8496
8497 @end itemize
8498
8499 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8500 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8501 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8502 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8503 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8504
8505 @menu
8506 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8507 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8508 @end menu
8509
8510
8511 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8512 @c    node-name, next, previous, up
8513 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8514
8515 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8516 the configure script.
8517
8518 Notes:
8519
8520 @itemize @bullet
8521
8522 @item
8523 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8524 to be found by your system's dynamic linker.
8525   
8526 This is generally done by
8527
8528 @display
8529 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8530 @end display
8531
8532 or by
8533    
8534 @display
8535 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8536 @end display
8537
8538 or, as a last resort, 
8539  
8540 @display
8541 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8542 running configure, for instance:
8543
8544 @example
8545 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8546 @end example
8547 @end display
8548
8549 @item
8550 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8551 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8552 name of the executable
8553
8554 @item
8555 If you move the GiNaC package from its installed location,
8556 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8557 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8558
8559 @end itemize
8560
8561 Advanced note:
8562
8563 @itemize @bullet
8564 @item
8565 configure flags
8566   
8567 @example
8568 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8569 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8570 @end example
8571
8572 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8573 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8574 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8575 @end itemize
8576
8577
8578 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8579 @c    node-name, next, previous, up
8580 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8581
8582 The following shows how to build a simple package using automake
8583 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8584
8585 @example
8586 #include <iostream>
8587 #include <ginac/ginac.h>
8588
8589 int main()
8590 @{
8591     GiNaC::symbol x("x");
8592     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8593     std::cout << "Derivative of " << a 
8594               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8595     return 0;
8596 @}
8597 @end example
8598
8599 You should first read the introductory portions of the automake
8600 Manual, if you are not already familiar with it.
8601
8602 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8603 configure script:
8604
8605 @example
8606 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8607 AC_INIT(simple.cpp)
8608 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8609
8610 AC_PROG_CXX
8611 AC_PROG_INSTALL
8612 AC_LANG_CPLUSPLUS
8613
8614 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8615   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8616   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8617 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8618
8619 AC_OUTPUT(Makefile)
8620 @end example
8621
8622 The only command in this which is not standard for automake
8623 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8624
8625 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8626 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8627 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8628 the error message `need to have GiNaC installed'
8629
8630 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8631
8632 @example
8633 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8634 bin_PROGRAMS = simple
8635 simple_SOURCES = simple.cpp
8636 @end example
8637
8638 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8639 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8640 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8641 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8642 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8643 adding the lines:
8644
8645 @example
8646 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8647 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8648 @end example
8649
8650 to the @file{Makefile.am}.
8651
8652 To try this example out, create a new directory and add the three
8653 files above to it.
8654
8655 Now execute the following commands:
8656
8657 @example
8658 $ automake --add-missing
8659 $ aclocal
8660 $ autoconf
8661 @end example
8662
8663 You now have a package that can be built in the normal fashion
8664
8665 @example
8666 $ ./configure
8667 $ make
8668 $ make install
8669 @end example
8670
8671
8672 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8673 @c    node-name, next, previous, up
8674 @appendix Bibliography
8675
8676 @itemize @minus{}
8677
8678 @item
8679 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8680
8681 @item
8682 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8683
8684 @item
8685 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8686
8687 @item
8688 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8689
8690 @item
8691 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8692 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8693
8694 @item
8695 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8696 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8697 Academic Press, London
8698
8699 @item
8700 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8701 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8702
8703 @item
8704 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8705 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8706
8707 @item
8708 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8709 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8710
8711 @item
8712 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8713
8714 @end itemize
8715
8716
8717 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8718 @c    node-name, next, previous, up
8719 @unnumbered Concept Index
8720
8721 @printindex cp
8722
8723 @bye