]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
4a29969f1fd33160b7a0cc2e2718ccfd3231b0a6
[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., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
606 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
607 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
608
609 @example
610 $ make html
611 $ make dvi
612 $ make ps
613 $ make pdf
614 @end example
615
616 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
617 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
618 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
619 @var{target} there in case something went wrong.
620
621
622 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
623 @c    node-name, next, previous, up
624 @section Installing GiNaC
625 @cindex installation
626
627 To install GiNaC on your system, simply type
628
629 @example
630 $ make install
631 @end example
632
633 As described in the section about configuration the files will be
634 installed in the following directories (the directories will be created
635 if they don't already exist):
636
637 @itemize @bullet
638
639 @item
640 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
641 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
642 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
643 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
644 will be established as well.
645
646 @item
647 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
648 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
649
650 @item
651 All documentation (info) will be stuffed into
652 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
653 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
654
655 @end itemize
656
657 For the sake of completeness we will list some other useful make
658 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
659 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
660 distclean} removes all files generated by the configuration and
661 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
662 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
663 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
664 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
665 work after you have called @command{make distclean} since the
666 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
667 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
668 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
669 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
670 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
671 do it by hand since you now know where all the files went during
672 installation.}.
673
674
675 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
676 @c    node-name, next, previous, up
677 @chapter Basic Concepts
678
679 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
680 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
681 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
682 meta-class for storing all mathematical objects.
683
684 @menu
685 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
686 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
687 * Error handling::               How the library reports errors.
688 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
689 * Symbols::                      Symbolic objects.
690 * Numbers::                      Numerical objects.
691 * Constants::                    Pre-defined constants.
692 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
693 * Lists::                        Lists of expressions.
694 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
695 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
696 * Integrals::                    Symbolic integrals.
697 * Matrices::                     Matrices.
698 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
699 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
700 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
701 @end menu
702
703
704 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
705 @c    node-name, next, previous, up
706 @section Expressions
707 @cindex expression (class @code{ex})
708 @cindex @code{has()}
709
710 The most common class of objects a user deals with is the expression
711 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
712 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
713 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
714 little collection of valid expressions:
715
716 @example
717 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
718 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
719 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
720 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
721 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
722 @end example
723
724 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
725 contain other expressions thus creating a tree of expressions
726 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
727 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
728 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
729 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
730 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
731 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
732
733 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
734 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
735 @code{ex}.
736
737 @subsection Note: Expressions and STL containers
738
739 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
740 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
741 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
742 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
743
744 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
745 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
746 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
747 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
748 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
749
750 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
751 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
752
753 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
754 expressions.
755
756
757 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
758 @c    node-name, next, previous, up
759 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
760 @cindex evaluation
761
762 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
763 them and put them into a canonical form. Some examples:
764
765 @example
766 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
767 ex MyEx2 = x - x;        // 0
768 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
769 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
770 @end example
771
772 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
773 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
774
775 @itemize @bullet
776 @item
777 at most of complexity
778 @tex
779 $O(n\log n)$
780 @end tex
781 @ifnottex
782 @math{O(n log n)}
783 @end ifnottex
784 @item
785 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
786 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
787 @end itemize
788
789 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
790 behave in an entirely obvious way at first glance:
791
792 @itemize
793 @item
794 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
795 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
796 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
797 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
798 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
799 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
800 canonical form.
801 @item
802 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
803 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
804 example
805 @example
806 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
807 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
808 @end example
809 @end itemize
810
811 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
812 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
813 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
814 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
815 some immediate simplifications.
816
817 @cindex @code{eval()}
818 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
819
820 @example
821 ex ex::eval(int level = 0) const;
822 ex basic::eval(int level = 0) const;
823 @end example
824
825 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
826 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
827 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
828 re-evaluate their results.
829
830
831 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
832 @c    node-name, next, previous, up
833 @section Error handling
834 @cindex exceptions
835 @cindex @code{pole_error} (class)
836
837 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
838 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
839 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
840 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
841 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
842 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
843 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
844 at a singularity.
845
846 The @code{pole_error} class has a member function
847
848 @example
849 int pole_error::degree() const;
850 @end example
851
852 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
853 logarithmic or the order is undefined).
854
855 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
856 the main program even if you don't want to do any special error handling.
857 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
858 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
859 usually only aborts the program without giving any information what went
860 wrong.
861
862 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
863 exceptions generated by GiNaC:
864
865 @example
866 #include <iostream>
867 #include <stdexcept>
868 #include <ginac/ginac.h>
869 using namespace std;
870 using namespace GiNaC;
871
872 int main()
873 @{
874     try @{
875         ...
876         // code using GiNaC
877         ...
878     @} catch (exception &p) @{
879         cerr << p.what() << endl;
880         return 1;
881     @}
882     return 0;
883 @}
884 @end example
885
886
887 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
888 @c    node-name, next, previous, up
889 @section The Class Hierarchy
890
891 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
892 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
893 helpers) are internally derived from one abstract base class called
894 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
895 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
896 containers of expressions and so on.
897
898 @cindex container
899 @cindex atom
900 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
901 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
902 some of the relations among the classes:
903
904 @image{classhierarchy}
905
906 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
907 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
908 duplication if two or more classes derived from them share certain
909 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
910 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
911 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
912 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
913 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
914 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
915 are stored in the different classes:
916
917 @cartouche
918 @multitable @columnfractions .22 .78
919 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
920 @item @code{constant} @tab Constants like 
921 @tex
922 $\pi$
923 @end tex
924 @ifnottex
925 @math{Pi}
926 @end ifnottex
927 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
928 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
929 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
930 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
931 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
932 @tex
933 $\sqrt{2}$
934 @end tex
935 @ifnottex
936 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
937 @end ifnottex
938 @dots{}
939 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
940 @item @code{function} @tab A symbolic function like
941 @tex
942 $\sin 2x$
943 @end tex
944 @ifnottex
945 @math{sin(2*x)}
946 @end ifnottex
947 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
948 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
949 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
950 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
951 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
952 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
953 @item @code{varidx} @tab Index with variance
954 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
955 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
956 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
957 @end multitable
958 @end cartouche
959
960
961 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
962 @c    node-name, next, previous, up
963 @section Symbols
964 @cindex @code{symbol} (class)
965 @cindex hierarchy of classes
966
967 @cindex atom
968 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
969 manipulation what atoms are for chemistry.
970
971 A typical symbol definition looks like this:
972 @example
973 symbol x("x");
974 @end example
975
976 This definition actually contains three very different things:
977 @itemize
978 @item a C++ variable named @code{x}
979 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
980   represents the symbol in a GiNaC expression
981 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
982   exclusively for printing expressions holding the symbol
983 @end itemize
984
985 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
986 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
987 throws them away during compilation.
988
989 It is possible to omit the symbol name in the definition:
990 @example
991 symbol x;
992 @end example
993
994 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
995 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
996 the output of your calculations will become more readable if you give your
997 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
998 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
999
1000 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1001 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1002 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1003 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
1004 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1005 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1006 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1007 indeterminate.
1008
1009 Observe:
1010 @example
1011 ex f(int n)
1012 @{
1013     symbol x("x");
1014     return pow(x, n);
1015 @}
1016
1017 int main()
1018 @{
1019     symbol x("x");
1020     ex e = f(6);
1021
1022     cout << e << endl;
1023      // prints "x^6" which looks right, but...
1024
1025     cout << e.degree(x) << endl;
1026      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1027      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1028      // prints "0".
1029 @}
1030 @end example
1031
1032 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1033 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1034 @example
1035 ex f(int n, const ex & x)
1036 @{
1037     return pow(x, n);
1038 @}
1039
1040 int main()
1041 @{
1042     symbol x("x");
1043
1044     // Now, f() uses the same symbol.
1045     ex e = f(6, x);
1046
1047     cout << e.degree(x) << endl;
1048      // prints "6", as expected
1049 @}
1050 @end example
1051
1052 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1053 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1054 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1055 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1056 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1057 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1058 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1059 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1060 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1061 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1062 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1063
1064 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1065 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1066 like this one:
1067 @example
1068 const symbol & get_symbol(const string & s)
1069 @{
1070     static map<string, symbol> directory;
1071     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1072     if (i != directory.end())
1073         return i->second;
1074     else
1075         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1076 @}
1077 @end example
1078
1079 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1080 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1081 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1082 this:
1083 @example
1084 ex f(int n)
1085 @{
1086     return pow(get_symbol("x"), n);
1087 @}
1088
1089 int main()
1090 @{
1091     ex e = f(6);
1092
1093     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1094     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1095      // prints "6"
1096 @}
1097 @end example
1098
1099 Instead of creating symbols from strings we could also have
1100 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1101 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1102 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1103 @code{ostringstream}.
1104
1105 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1106 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1107 definitions.
1108
1109 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1110 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1111 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1112 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1113
1114 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1115 in LaTeX output:
1116 @example
1117 symbol x("x", "\\Box");
1118 @end example
1119
1120 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1121 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1122 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1123 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1124 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1125
1126 @cindex @code{subs()}
1127 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1128 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1129 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1130 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1131 (@pxref{Substituting Expressions}).
1132
1133 @cindex @code{realsymbol()}
1134 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1135 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1136 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1137 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1138 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1139 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1140 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1141 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1142 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1143
1144
1145 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1146 @c    node-name, next, previous, up
1147 @section Numbers
1148 @cindex @code{numeric} (class)
1149
1150 @cindex GMP
1151 @cindex CLN
1152 @cindex rational
1153 @cindex fraction
1154 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1155 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1156 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1157 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1158 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1159 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1160 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1161 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1162 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1163 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1164 several useful things: First, it introduces the complex number field
1165 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1166 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1167 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1168 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1169 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1170 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1171 calculation of some useful constants.
1172
1173 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1174 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1175 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1176 integers, construction from C-float and construction from a string:
1177
1178 @example
1179 #include <iostream>
1180 #include <ginac/ginac.h>
1181 using namespace GiNaC;
1182
1183 int main()
1184 @{
1185     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1186     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1187     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1188     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1189     // Trott's constant in scientific notation:
1190     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1191     
1192     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1193     ...
1194 @end example
1195
1196 @cindex @code{I}
1197 @cindex complex numbers
1198 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1199 name @code{I}:
1200
1201 @example
1202     ...
1203     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1204     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1205 @}
1206 @end example
1207
1208 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1209 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1210 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1211 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1212 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1213 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1214 also.
1215
1216 @cindex @code{Digits}
1217 @cindex accuracy
1218 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1219 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1220 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1221 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1222 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1223 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1224 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1225 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1226 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1227 digits:
1228
1229 @example
1230 #include <iostream>
1231 #include <ginac/ginac.h>
1232 using namespace std;
1233 using namespace GiNaC;
1234
1235 void foo()
1236 @{
1237     numeric three(3.0), one(1.0);
1238     numeric x = one/three;
1239
1240     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1241     cout << x << endl;
1242     cout << Pi.evalf() << endl;
1243 @}
1244
1245 int main()
1246 @{
1247     foo();
1248     Digits = 60;
1249     foo();
1250     return 0;
1251 @}
1252 @end example
1253
1254 The above example prints the following output to screen:
1255
1256 @example
1257 in 17 digits:
1258 0.33333333333333333334
1259 3.1415926535897932385
1260 in 60 digits:
1261 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1262 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1263 @end example
1264
1265 @cindex rounding
1266 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1267 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1268 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1269 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1270 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1271 architectures with different word size, the above output might even
1272 differ with regard to actually computed digits.
1273
1274 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1275 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1276 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1277
1278 @subsection Tests on numbers
1279
1280 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1281 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1282 kind of information from them like asking whether that number is
1283 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1284 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1285 certain CLN functions.)
1286
1287 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1288 some multiple of its denominator and test what comes out:
1289
1290 @example
1291 #include <iostream>
1292 #include <ginac/ginac.h>
1293 using namespace std;
1294 using namespace GiNaC;
1295
1296 // some very important constants:
1297 const numeric twentyone(21);
1298 const numeric ten(10);
1299 const numeric five(5);
1300
1301 int main()
1302 @{
1303     numeric answer = twentyone;
1304
1305     answer /= five;
1306     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1307     answer *= ten;
1308     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1309 @}
1310 @end example
1311
1312 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1313 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1314 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1315 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1316 the result is automatically converted to a pure integer again.
1317 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1318 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1319 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1320 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1321 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1322 can be applied is listed in the following table.
1323
1324 @cartouche
1325 @multitable @columnfractions .30 .70
1326 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1327 @item @code{.is_zero()}
1328 @tab @dots{}equal to zero
1329 @item @code{.is_positive()}
1330 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1331 @item @code{.is_integer()}
1332 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1333 @item @code{.is_pos_integer()}
1334 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1335 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1336 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1337 @item @code{.is_even()}
1338 @tab @dots{}an even integer
1339 @item @code{.is_odd()}
1340 @tab @dots{}an odd integer
1341 @item @code{.is_prime()}
1342 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1343 @item @code{.is_rational()}
1344 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1345 @item @code{.is_real()}
1346 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1347 @item @code{.is_cinteger()}
1348 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1349 @item @code{.is_crational()}
1350 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1351 @end multitable
1352 @end cartouche
1353
1354 @subsection Numeric functions
1355
1356 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1357 evaluated immediately:
1358
1359 @cartouche
1360 @multitable @columnfractions .30 .70
1361 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1362 @item @code{inverse(z)}
1363 @tab returns @math{1/z}
1364 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1365 @item @code{pow(a, b)}
1366 @tab exponentiation @math{a^b}
1367 @item @code{abs(z)}
1368 @tab absolute value
1369 @item @code{real(z)}
1370 @tab real part
1371 @cindex @code{real()}
1372 @item @code{imag(z)}
1373 @tab imaginary part
1374 @cindex @code{imag()}
1375 @item @code{csgn(z)}
1376 @tab complex sign (returns an @code{int})
1377 @item @code{numer(z)}
1378 @tab numerator of rational or complex rational number
1379 @item @code{denom(z)}
1380 @tab denominator of rational or complex rational number
1381 @item @code{sqrt(z)}
1382 @tab square root
1383 @item @code{isqrt(n)}
1384 @tab integer square root
1385 @cindex @code{isqrt()}
1386 @item @code{sin(z)}
1387 @tab sine
1388 @item @code{cos(z)}
1389 @tab cosine
1390 @item @code{tan(z)}
1391 @tab tangent
1392 @item @code{asin(z)}
1393 @tab inverse sine
1394 @item @code{acos(z)}
1395 @tab inverse cosine
1396 @item @code{atan(z)}
1397 @tab inverse tangent
1398 @item @code{atan(y, x)}
1399 @tab inverse tangent with two arguments
1400 @item @code{sinh(z)}
1401 @tab hyperbolic sine
1402 @item @code{cosh(z)}
1403 @tab hyperbolic cosine
1404 @item @code{tanh(z)}
1405 @tab hyperbolic tangent
1406 @item @code{asinh(z)}
1407 @tab inverse hyperbolic sine
1408 @item @code{acosh(z)}
1409 @tab inverse hyperbolic cosine
1410 @item @code{atanh(z)}
1411 @tab inverse hyperbolic tangent
1412 @item @code{exp(z)}
1413 @tab exponential function
1414 @item @code{log(z)}
1415 @tab natural logarithm
1416 @item @code{Li2(z)}
1417 @tab dilogarithm
1418 @item @code{zeta(z)}
1419 @tab Riemann's zeta function
1420 @item @code{tgamma(z)}
1421 @tab gamma function
1422 @item @code{lgamma(z)}
1423 @tab logarithm of gamma function
1424 @item @code{psi(z)}
1425 @tab psi (digamma) function
1426 @item @code{psi(n, z)}
1427 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1428 @item @code{factorial(n)}
1429 @tab factorial function @math{n!}
1430 @item @code{doublefactorial(n)}
1431 @tab double factorial function @math{n!!}
1432 @cindex @code{doublefactorial()}
1433 @item @code{binomial(n, k)}
1434 @tab binomial coefficients
1435 @item @code{bernoulli(n)}
1436 @tab Bernoulli numbers
1437 @cindex @code{bernoulli()}
1438 @item @code{fibonacci(n)}
1439 @tab Fibonacci numbers
1440 @cindex @code{fibonacci()}
1441 @item @code{mod(a, b)}
1442 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1443 @cindex @code{mod()}
1444 @item @code{smod(a, b)}
1445 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1446 @cindex @code{smod()}
1447 @item @code{irem(a, b)}
1448 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1449 @cindex @code{irem()}
1450 @item @code{irem(a, b, q)}
1451 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1452 @item @code{iquo(a, b)}
1453 @tab integer quotient
1454 @cindex @code{iquo()}
1455 @item @code{iquo(a, b, r)}
1456 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1457 @item @code{gcd(a, b)}
1458 @tab greatest common divisor
1459 @item @code{lcm(a, b)}
1460 @tab least common multiple
1461 @end multitable
1462 @end cartouche
1463
1464 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1465 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1466 as polynomial algorithms.
1467
1468 @subsection Converting numbers
1469
1470 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1471 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1472 class provides a couple of methods for this purpose:
1473
1474 @cindex @code{to_int()}
1475 @cindex @code{to_long()}
1476 @cindex @code{to_double()}
1477 @cindex @code{to_cl_N()}
1478 @example
1479 int numeric::to_int() const;
1480 long numeric::to_long() const;
1481 double numeric::to_double() const;
1482 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1483 @end example
1484
1485 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1486 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1487 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1488 rational number will return a floating-point approximation. Both
1489 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1490 part of complex numbers.
1491
1492
1493 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1494 @c    node-name, next, previous, up
1495 @section Constants
1496 @cindex @code{constant} (class)
1497
1498 @cindex @code{Pi}
1499 @cindex @code{Catalan}
1500 @cindex @code{Euler}
1501 @cindex @code{evalf()}
1502 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1503 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1504
1505 The predefined known constants are:
1506
1507 @cartouche
1508 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1509 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1510 @item @code{Pi}
1511 @tab Archimedes' constant
1512 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1513 @item @code{Catalan}
1514 @tab Catalan's constant
1515 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1516 @item @code{Euler}
1517 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1518 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1519 @end multitable
1520 @end cartouche
1521
1522
1523 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1524 @c    node-name, next, previous, up
1525 @section Sums, products and powers
1526 @cindex polynomial
1527 @cindex @code{add}
1528 @cindex @code{mul}
1529 @cindex @code{power}
1530
1531 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1532 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1533 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1534 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1535 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1536 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1537 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1538 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1539
1540 @example
1541     ...
1542     symbol a("a"), b("b");
1543     ex MyTerm = 1+a*b;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @cindex @code{pow()}
1548 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1549 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1550 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1551 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1552 have several counterintuitive and undesired effects:
1553
1554 @itemize @bullet
1555 @item
1556 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1557 @item
1558 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1559 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1560 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1561 @item
1562 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1563 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1564 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1565 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1566 has requested @code{2^3}.)
1567 @end itemize
1568
1569 @cindex @command{ginsh}
1570 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1571 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1572 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1573 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1574 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1575 not exist at all in C++).
1576
1577 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1578 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1579 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1580 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1581 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1582 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1583 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1584 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1585 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1586 @code{x} negative.
1587
1588 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1589 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1590 and safe simplifications are carried out like transforming
1591 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1592
1593
1594 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1595 @c    node-name, next, previous, up
1596 @section Lists of expressions
1597 @cindex @code{lst} (class)
1598 @cindex lists
1599 @cindex @code{nops()}
1600 @cindex @code{op()}
1601 @cindex @code{append()}
1602 @cindex @code{prepend()}
1603 @cindex @code{remove_first()}
1604 @cindex @code{remove_last()}
1605 @cindex @code{remove_all()}
1606
1607 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1608 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1609 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1610 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1611 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1612
1613 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1614 expressions:
1615
1616 @example
1617 @{
1618     symbol x("x"), y("y");
1619     lst l;
1620     l = x, 2, y, x+y;
1621     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1622     // in that order
1623     ...
1624 @end example
1625
1626 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1627 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1628
1629 @example
1630     ...
1631     // This produces the same list 'l' as above:
1632     // lst l(x, 2, y, x+y);
1633     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1634     ...
1635 @end example
1636
1637 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1638 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1639 individual elements:
1640
1641 @example
1642     ...
1643     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1644     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1645     ...
1646 @end example
1647
1648 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1649 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1650 sequential access to the elements of a list is possible with the
1651 iterator types provided by the @code{lst} class:
1652
1653 @example
1654 typedef ... lst::const_iterator;
1655 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1656 lst::const_iterator lst::begin() const;
1657 lst::const_iterator lst::end() const;
1658 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1659 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1660 @end example
1661
1662 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1663
1664 @example
1665     ...
1666     // O(N)
1667     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1668         cout << *i << endl;
1669     ...
1670 @end example
1671
1672 which is one order faster than
1673
1674 @example
1675     ...
1676     // O(N^2)
1677     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1678         cout << l.op(i) << endl;
1679     ...
1680 @end example
1681
1682 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1683 the C++ standard library:
1684
1685 @example
1686     ...
1687     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1688     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1689
1690     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1691     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1692     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1693     ...
1694 @end example
1695
1696 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1697 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1698
1699 @example
1700     ...
1701     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1702     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1703     ...
1704 @end example
1705
1706 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1707 and @code{prepend()} methods:
1708
1709 @example
1710     ...
1711     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1712     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1713     ...
1714 @end example
1715
1716 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1717 and @code{remove_last()}:
1718
1719 @example
1720     ...
1721     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1722     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1723     ...
1724 @end example
1725
1726 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1727
1728 @example
1729     ...
1730     l.remove_all();     // l is now empty
1731     ...
1732 @end example
1733
1734 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1735
1736 @example
1737     ...
1738     lst l1, l2;
1739     l1 = x, 2, y, x+y;
1740     l2 = 2, x+y, x, y;
1741     l1.sort();
1742     l2.sort();
1743     // l1 and l2 are now equal
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1748 elements with @code{unique()}:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     lst l3;
1753     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1754     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1755 @}
1756 @end example
1757
1758
1759 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1760 @c    node-name, next, previous, up
1761 @section Mathematical functions
1762 @cindex @code{function} (class)
1763 @cindex trigonometric function
1764 @cindex hyperbolic function
1765
1766 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1767 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1768 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1769
1770 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1771 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1772 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1773 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1774 the next example, showing how a function returns itself twice and
1775 finally an expression that may be really useful:
1776
1777 @cindex Gamma function
1778 @cindex @code{subs()}
1779 @example
1780     ...
1781     symbol x("x"), y("y");    
1782     ex foo = x+y/2;
1783     cout << tgamma(foo) << endl;
1784      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1785     ex bar = foo.subs(y==1);
1786     cout << tgamma(bar) << endl;
1787      // -> tgamma(x+1/2)
1788     ex foobar = bar.subs(x==7);
1789     cout << tgamma(foobar) << endl;
1790      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1791     ...
1792 @end example
1793
1794 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1795 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1796 this.
1797
1798 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1799 functions, where the argument list is templated.  This means that
1800 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1801 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1802 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1803 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1804 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1805 point number of class @code{numeric} you should call
1806 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1807 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1808 wrapped inside an @code{ex}.
1809
1810
1811 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic Concepts
1812 @c    node-name, next, previous, up
1813 @section Relations
1814 @cindex @code{relational} (class)
1815
1816 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1817 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1818 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1819 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1820 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1821 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1822
1823 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1824 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1825 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1826 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1827 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1828 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1829 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1830 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1831 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1832 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1833 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1834 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1835 @code{expand()} must be called explicitly.
1836
1837 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic Concepts
1838 @c    node-name, next, previous, up
1839 @section Integrals
1840 @cindex @code{integral} (class)
1841
1842 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1843 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1844 1, you would write this as
1845 @example
1846 integral(x, 0, 1, x*x)
1847 @end example
1848 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1849 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1850 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1851 can be evaluated symbolically by calling the
1852 @example
1853 .eval_integ()
1854 @end example
1855 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1856 @example
1857 .evalf()
1858 @end example
1859 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1860 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1861 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1862 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1863 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1864 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1865 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1866 integrals is determined by the static member variable
1867 @example
1868 ex integral::relative_integration_error
1869 @end example
1870 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1871 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1872 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1873 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1874 variable
1875 @example
1876 int integral::max_integration_level
1877 @end example
1878 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1879 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1880 evaluation, is also available as
1881 @example
1882 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1883 const ex & error)
1884 @end example
1885 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1886 last parameter of the function is optional and defaults to the
1887 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1888 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1889 a lookup table is used.
1890
1891 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1892 integration variable, the left boundary, right boundary and integrant by
1893 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1894 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1895 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1896 with respect to the integration variable.
1897
1898 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic Concepts
1899 @c    node-name, next, previous, up
1900 @section Matrices
1901 @cindex @code{matrix} (class)
1902
1903 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1904 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1905 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1906 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1907
1908 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1909 elements. The constructor
1910
1911 @example
1912 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1913 @end example
1914
1915 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1916 set to zero.
1917
1918 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1919 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1920 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1921
1922 @example
1923 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1924 @end example
1925
1926 The function
1927
1928 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1929 @example
1930 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1931 @end example
1932
1933 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1934
1935 There is also a set of functions for creating some special types of
1936 matrices:
1937
1938 @cindex @code{diag_matrix()}
1939 @cindex @code{unit_matrix()}
1940 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1941 @example
1942 ex diag_matrix(const lst & l);
1943 ex unit_matrix(unsigned x);
1944 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1945 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1946 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1947                    const string & tex_base_name);
1948 @end example
1949
1950 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1951 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1952 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1953 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1954 and the position of each element in the matrix.
1955
1956 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1957 operator:
1958
1959 @example
1960 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1961 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1962 @end example
1963
1964 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1965 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1966 @samp{[]} is not available.
1967
1968 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1969
1970 @example
1971 @{
1972     symbol a("a"), b("b");
1973
1974     matrix M(2, 2);
1975     M = a, 0,
1976         0, b;
1977     cout << M << endl;
1978      // -> [[a,0],[0,b]]
1979
1980     matrix M2(2, 2);
1981     M2(0, 0) = a;
1982     M2(1, 1) = b;
1983     cout << M2 << endl;
1984      // -> [[a,0],[0,b]]
1985
1986     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1987      // -> [[a,0],[0,b]]
1988
1989     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1990      // -> [[a,0],[0,b]]
1991
1992     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1993      // -> [[a,0],[0,b]]
1994
1995     cout << unit_matrix(3) << endl;
1996      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1997
1998     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1999      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2000 @}
2001 @end example
2002
2003 @cindex @code{transpose()}
2004 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2005 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2006
2007 @example
2008 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2009 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2010 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2011 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2012 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2013 matrix matrix::transpose() const;
2014 @end example
2015
2016 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2017 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2018 and @math{C}:
2019
2020 @example
2021 @{
2022     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2023     A =  1, 2,
2024          3, 4;
2025     B = -1, 0,
2026          2, 1;
2027     C =  8, 4,
2028          2, 1;
2029
2030     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2031     cout << result << endl;
2032      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2033     ...
2034 @}
2035 @end example
2036
2037 @cindex @code{evalm()}
2038 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2039 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2040 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2041 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2042 method
2043
2044 @example
2045 ex ex::evalm() const;
2046 @end example
2047
2048 to obtain the result:
2049
2050 @example
2051 @{
2052     ...
2053     ex e = A*B - 2*C;
2054     cout << e << endl;
2055      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2056     cout << e.evalm() << endl;
2057      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2058     ...
2059 @}
2060 @end example
2061
2062 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2063 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2064 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2065 dealing with non-commutative expressions.
2066
2067 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2068 to perform the arithmetic:
2069
2070 @example
2071 @{
2072     ...
2073     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2074     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2075     cout << e << endl;
2076      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2077     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2078      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2079 @}
2080 @end example
2081
2082 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2083 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2084 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2085 more information about using matrices with indices, and about indices in
2086 general.
2087
2088 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2089 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2090
2091 @cindex @code{determinant()}
2092 @cindex @code{trace()}
2093 @cindex @code{charpoly()}
2094 @cindex @code{rank()}
2095 @example
2096 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2097 ex matrix::trace() const;
2098 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2099 unsigned matrix::rank() const;
2100 @end example
2101
2102 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2103 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2104 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2105 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2106 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2107 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2108 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2109 quickly.
2110
2111 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2112 @cindex @code{solve()}
2113 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2114 method and linear systems may be solved with:
2115
2116 @example
2117 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2118                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2119 @end example
2120
2121 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2122 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2123 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2124 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2125 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2126 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2127 overdetermined, an exception is thrown.
2128
2129
2130 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2131 @c    node-name, next, previous, up
2132 @section Indexed objects
2133
2134 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2135 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2136 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2137 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2138
2139 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2140 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2141 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2142 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2143
2144 @cindex @code{idx} (class)
2145 @cindex @code{indexed} (class)
2146 @subsection Indexed quantities and their indices
2147
2148 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2149 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2150
2151 @itemize @bullet
2152
2153 @cindex contravariant
2154 @cindex covariant
2155 @cindex variance
2156 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2157 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2158 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2159 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2160 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2161 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2162
2163 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2164 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2165 one or more indices.
2166
2167 @end itemize
2168
2169 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2170 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2171 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2172 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2173 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2174 not visible in the output.
2175
2176 A simple example shall illustrate the concepts:
2177
2178 @example
2179 #include <iostream>
2180 #include <ginac/ginac.h>
2181 using namespace std;
2182 using namespace GiNaC;
2183
2184 int main()
2185 @{
2186     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2187     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2188
2189     symbol A("A");
2190     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2191      // -> A.i.j
2192     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2193      // -> A.i[3].j[3]
2194     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2195     ...
2196 @end example
2197
2198 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2199 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2200 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2201 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2202 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2203 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2204 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2205 @code{j}.
2206
2207 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2208 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2209 as shown above.
2210
2211 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2212 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2213 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2214 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2215 correct and will raise an exception:
2216
2217 @example
2218 symbol i("i"), j("j");
2219 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2220 @end example
2221
2222 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2223 be numeric, and index dimensions symbolic:
2224
2225 @example
2226     ...
2227     symbol B("B"), dim("dim");
2228     cout << 4 * indexed(A, i)
2229           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2230      // -> B.j.2.i+4*A.i
2231     ...
2232 @end example
2233
2234 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2235 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2236 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2237 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2238 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2239
2240 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2241 arbitrary expressions:
2242
2243 @example
2244     ...
2245     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2246      // -> (B+A).(1+2*i)
2247     ...
2248 @end example
2249
2250 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2251 get an error message from this but you will probably not be able to do
2252 anything useful with it.
2253
2254 @cindex @code{get_value()}
2255 @cindex @code{get_dimension()}
2256 The methods
2257
2258 @example
2259 ex idx::get_value();
2260 ex idx::get_dimension();
2261 @end example
2262
2263 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2264 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2265 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2266 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2267
2268 There are also the methods
2269
2270 @example
2271 bool idx::is_numeric();
2272 bool idx::is_symbolic();
2273 bool idx::is_dim_numeric();
2274 bool idx::is_dim_symbolic();
2275 @end example
2276
2277 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2278 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2279 About Expressions}) returns information about the index value.
2280
2281 @cindex @code{varidx} (class)
2282 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2283
2284 @example
2285     ...
2286     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2287     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2288     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2289
2290     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2291      // -> A~mu~nu
2292     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2293      // -> A.mu~nu
2294     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2295      // -> A.mu~nu
2296     ...
2297 @end example
2298
2299 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2300 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2301 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2302 constructor. The two methods
2303
2304 @example
2305 bool varidx::is_covariant();
2306 bool varidx::is_contravariant();
2307 @end example
2308
2309 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2310 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2311 method
2312
2313 @example
2314 ex varidx::toggle_variance();
2315 @end example
2316
2317 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2318 variance. By using it you only have to define the index once.
2319
2320 @cindex @code{spinidx} (class)
2321 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2322 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2323
2324 @example
2325     ...
2326     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2327     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2328                                             // contravariant, undotted
2329     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2330     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2331     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2332
2333     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2334      // -> K~C~D
2335     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2336      // -> K.C~*D
2337     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2338      // -> K.*D~D
2339     ...
2340 @end example
2341
2342 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2343 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2344 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2345 methods
2346
2347 @example
2348 bool spinidx::is_dotted();
2349 bool spinidx::is_undotted();
2350 @end example
2351
2352 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2353 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2354 Finally, the two methods
2355
2356 @example
2357 ex spinidx::toggle_dot();
2358 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2359 @end example
2360
2361 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2362 and the same or opposite variance.
2363
2364 @subsection Substituting indices
2365
2366 @cindex @code{subs()}
2367 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2368 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2369 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2370 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2371
2372 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2373 by another index or expression:
2374
2375 @example
2376     ...
2377     ex e = indexed(A, mu_co);
2378     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2379      // -> A.mu becomes A~nu
2380     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2381      // -> A.mu becomes A~0
2382     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2383      // -> A.mu becomes A.0
2384     ...
2385 @end example
2386
2387 The third example shows that trying to replace an index with something that
2388 is not an index will substitute the index value instead.
2389
2390 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2391 another expression:
2392
2393 @example
2394     ...
2395     ex e = indexed(A, mu_co);
2396     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2397      // -> A.mu becomes A.nu
2398     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2399      // -> A.mu becomes A.0
2400     ...
2401 @end example
2402
2403 As you see, with the second method only the value of the index will get
2404 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2405 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2406 whole index by another one with the new dimension.
2407
2408 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2409 expected:
2410
2411 @example
2412     ...
2413     ex e = indexed(A, mu_co);
2414     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2415      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2416     ...
2417 @end example
2418
2419 @subsection Symmetries
2420 @cindex @code{symmetry} (class)
2421 @cindex @code{sy_none()}
2422 @cindex @code{sy_symm()}
2423 @cindex @code{sy_anti()}
2424 @cindex @code{sy_cycl()}
2425
2426 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2427 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2428 that is constructed with the helper functions
2429
2430 @example
2431 symmetry sy_none(...);
2432 symmetry sy_symm(...);
2433 symmetry sy_anti(...);
2434 symmetry sy_cycl(...);
2435 @end example
2436
2437 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2438 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2439 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2440 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2441 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2442 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2443 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2444 all indices.
2445
2446 Here are some examples of symmetry definitions:
2447
2448 @example
2449     ...
2450     // No symmetry:
2451     e = indexed(A, i, j);
2452     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2453     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2454
2455     // Symmetric in all three indices:
2456     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2457     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2458     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2459                                                // different canonical order
2460
2461     // Symmetric in the first two indices only:
2462     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2463     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2464
2465     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2466     // be contiguous):
2467     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2468     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2469
2470     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2471     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2472     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2473     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2474
2475     // Cyclic symmetry in all three indices:
2476     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2477     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2478
2479     // The following examples are invalid constructions that will throw
2480     // an exception at run time.
2481
2482     // An index may not appear multiple times:
2483     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2484     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2485
2486     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2487     // same number of indices:
2488     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2489
2490     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2491     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2492     ...
2493 @end example
2494
2495 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2496 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2497 full symmetry in the first six indices you would write
2498 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2499
2500 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2501 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2502
2503 @example
2504     ...
2505     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2506           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2507      // -> 2*A.j.i
2508     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2509           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2510      // -> 0
2511     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2512           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2513      // -> 0
2514     ...
2515 @end example
2516
2517 @cindex @code{get_free_indices()}
2518 @cindex dummy index
2519 @subsection Dummy indices
2520
2521 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2522 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2523 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2524 dummy nor free indices.
2525
2526 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2527 class and their value must be the same single symbol (an index like
2528 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2529 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2530 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2531
2532 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2533 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2534 of a sum are consistent:
2535
2536 @example
2537 @{
2538     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2539
2540     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2541     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2542
2543     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2544     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2545      // -> (.i,.k)
2546      // 'j' and 'l' are dummy indices
2547
2548     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2549     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2550
2551     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2552       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2553     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2554      // -> (~mu,~rho)
2555      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2556
2557     e = indexed(A, mu, mu);
2558     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2559      // -> (~mu)
2560      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2561      // variance
2562
2563     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2564     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2565      // this will throw an exception:
2566      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2567 @}
2568 @end example
2569
2570 @cindex @code{simplify_indexed()}
2571 @subsection Simplifying indexed expressions
2572
2573 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2574 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2575 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2576 there is the method
2577
2578 @example
2579 ex ex::simplify_indexed();
2580 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2581 @end example
2582
2583 that performs some more expensive operations:
2584
2585 @itemize
2586 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2587   @code{get_free_indices()} does
2588 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2589   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2590 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2591   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2592   next section)
2593 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2594   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2595 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2596   of two tensors with a user-defined value
2597 @end itemize
2598
2599 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2600 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2601 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2602
2603 @example
2604 @{
2605     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2606     idx i(i_sym, 3);
2607
2608     scalar_products sp;
2609     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2610     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2611     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2612
2613     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2614     cout << e << endl;
2615      // -> (B+A).i*(A+C).i
2616
2617     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2618          << endl;
2619      // -> 4+C.i*B.i
2620 @}
2621 @end example
2622
2623 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2624 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2625 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2626 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2627 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2628 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2629 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2630 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2631
2632 @cindex @code{expand()}
2633 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2634 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2635 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2636
2637 @cindex @code{tensor} (class)
2638 @subsection Predefined tensors
2639
2640 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2641 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2642 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2643 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2644 indices are specified).
2645
2646 @cindex @code{delta_tensor()}
2647 @subsubsection Delta tensor
2648
2649 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2650 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2651 @code{delta_tensor()}:
2652
2653 @example
2654 @{
2655     symbol A("A"), B("B");
2656
2657     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2658         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2659
2660     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2661          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2662     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2663      // -> B.i.j*A.i.j
2664
2665     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2666      // -> 3
2667 @}
2668 @end example
2669
2670 @cindex @code{metric_tensor()}
2671 @subsubsection General metric tensor
2672
2673 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2674 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2675 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2676 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2677
2678 @example
2679 @{
2680     symbol A("A");
2681
2682     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2683
2684     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2685     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2686      // -> A~mu~rho
2687
2688     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2689     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2690      // -> g~mu~rho
2691
2692     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2693       * metric_tensor(nu, rho);
2694     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2695      // -> delta.mu~rho
2696
2697     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2698       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2699         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2700     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2701      // -> 4+A.rho~rho
2702 @}
2703 @end example
2704
2705 @cindex @code{lorentz_g()}
2706 @subsubsection Minkowski metric tensor
2707
2708 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2709 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2710 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2711 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2712 @samp{eta}):
2713
2714 @example
2715 @{
2716     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2717
2718     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2719       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2720     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2721      // -> 1
2722
2723     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2724       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2725     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2726      // -> -1
2727 @}
2728 @end example
2729
2730 @cindex @code{spinor_metric()}
2731 @subsubsection Spinor metric tensor
2732
2733 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2734 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2735 It is output as @samp{eps}:
2736
2737 @example
2738 @{
2739     symbol psi("psi");
2740
2741     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2742     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2743
2744     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2745     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2746      // -> psi~A
2747
2748     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2749     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2750      // -> -psi~B
2751
2752     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2753     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2754      // -> -psi.A
2755
2756     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2757     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2758      // -> psi.B
2759
2760     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2761     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2762      // -> 2
2763
2764     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2765     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2766      // -> -delta.A~C
2767 @}
2768 @end example
2769
2770 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2771
2772 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2773 @cindex @code{lorentz_eps()}
2774 @subsubsection Epsilon tensor
2775
2776 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2777 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2778 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2779 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2780 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2781 @samp{eps}.
2782
2783 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2784 dimensions:
2785
2786 @example
2787 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2788 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2789 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2790                bool pos_sig = false);
2791 @end example
2792
2793 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2794 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2795 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2796 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2797 tensor):
2798
2799 @example
2800 @{
2801     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2802            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2803     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2804         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2805     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2806      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2807
2808     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2809     symbol A("A"), B("B");
2810     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2811     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2812      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2813     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2814     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2815      // -> 0
2816 @}
2817 @end example
2818
2819 @subsection Linear algebra
2820
2821 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2822 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2823 and scalar products):
2824
2825 @example
2826 @{
2827     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2828     symbol x("x"), y("y");
2829
2830     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2831     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2832     A = 1, 2,
2833         3, 4;
2834     X = x, y;
2835
2836     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2837      // -> 5
2838
2839     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2840     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2841      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2842
2843     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2844     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2845      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2846 @}
2847 @end example
2848
2849 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2850 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2851 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2852
2853 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2854 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2855 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2856 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2857
2858 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2859 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2860 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2861 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2862 of the metric tensor.
2863
2864
2865 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2866 @c    node-name, next, previous, up
2867 @section Non-commutative objects
2868
2869 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2870 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2871 physics:
2872
2873 @itemize
2874 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2875 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2876 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2877 @end itemize
2878
2879 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2880 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2881 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2882 @ref{Matrices}.
2883
2884 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2885 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2886 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2887 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2888 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2889 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2890 by their class. Consider this example:
2891
2892 @example
2893     ...
2894     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2895     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2896     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2897     cout << e << endl;
2898      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2899     ...
2900 @end example
2901
2902 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2903 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2904 together while preserving the order of factors within each class (because
2905 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2906 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2907 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2908 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2909
2910 @cindex @code{ncmul} (class)
2911 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2912 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2913 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2914 though.
2915
2916 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2917 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2918 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2919 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2920 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2921 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2922 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2923 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2924 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2925 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2926
2927 @cindex @code{return_type()}
2928 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2929 Information about the commutativity of an object or expression can be
2930 obtained with the two member functions
2931
2932 @example
2933 unsigned ex::return_type() const;
2934 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2935 @end example
2936
2937 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2938 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2939 expressions in GiNaC:
2940
2941 @itemize
2942 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2943   classes are of this kind.
2944 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2945   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2946   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2947   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2948   class.
2949 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2950   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2951   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
2952   @code{noncommutative_composite} expressions.
2953 @end itemize
2954
2955 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2956 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2957 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2958 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2959
2960 Here are a couple of examples:
2961
2962 @cartouche
2963 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2964 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2965 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2966 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2967 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2968 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2969 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2970 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2971 @end multitable
2972 @end cartouche
2973
2974 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2975 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2976 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2977 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2978 for color objects.
2979
2980 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2981 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2982 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2983 non-commutative expressions).
2984
2985
2986 @cindex @code{clifford} (class)
2987 @subsection Clifford algebra
2988
2989
2990 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
2991 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
2992 mathematical). 
2993
2994 @cindex @code{dirac_gamma()}
2995 @subsubsection Dirac gamma matrices
2996 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
2997 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2998 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
2999 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3000 constructed by the function
3001
3002 @example
3003 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3004 @end example
3005
3006 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3007 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3008 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3009 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3010 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3011 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3012
3013 @cindex @code{dirac_ONE()}
3014 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3015
3016 @example
3017 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3018 @end example
3019
3020 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3021 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3022 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3023 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3024 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3025
3026 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3027 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3028 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3029 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3030
3031 @example
3032 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3033 @end example
3034
3035 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3036 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3037 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3038 objects, constructed by
3039
3040 @example
3041 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3042 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3043 @end example
3044
3045 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3046 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3047
3048 @cindex @code{dirac_slash()}
3049 Finally, the function
3050
3051 @example
3052 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3053 @end example
3054
3055 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3056 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3057 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3058 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3059
3060 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3061 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3062 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3063
3064 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3065 for example
3066
3067 @example
3068 @{
3069     ...
3070     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3071     varidx mu(symbol("mu"), D);
3072     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3073          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3074     cout << e << endl;
3075      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3076     e = e.simplify_indexed();
3077     cout << e << endl;
3078      // -> -D*a\+2*a\
3079     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3080      // -> -2*a\
3081     ...
3082 @}
3083 @end example
3084
3085 @cindex @code{dirac_trace()}
3086 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3087 you use one of the functions
3088
3089 @example
3090 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3091                const ex & trONE = 4);
3092 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3093 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3094 @end example
3095
3096 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3097 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3098 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3099 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3100 element, which defaults to 4.
3101
3102 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3103 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3104 functional is not cyclic in
3105 @tex $D \ne 4$
3106 @end tex
3107 dimensions when acting on
3108 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3109 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3110 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3111
3112 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3113 @tex $D \ne 4$
3114 @end tex
3115 dimensions:
3116
3117 @example
3118 @{
3119     // 4 dimensions
3120     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3121     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3122            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3123     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3124      // -> -8*eta~rho~nu
3125 @}
3126 ...
3127 @{
3128     // D dimensions
3129     symbol D("D");
3130     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3131     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3132            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3133     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3134      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3135 @}
3136 @end example
3137
3138 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3139 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3140 QED:
3141
3142 @example
3143 @{
3144     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3145     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3146
3147     scalar_products sp;
3148     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3149     sp.add(l, q, ldotq);
3150
3151     ex e = dirac_gamma(mu) *
3152            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3153            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3154            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3155     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3156     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3157     cout << e << endl;
3158      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3159 @}
3160 @end example
3161
3162 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3163 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3164 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3165
3166 @example
3167 @{
3168     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3169     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3170     cout << e << endl;
3171      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3172
3173     e = canonicalize_clifford(e);
3174     cout << e << endl;
3175      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3176 @}
3177 @end example
3178
3179 @cindex @code{clifford_unit()}
3180 @subsubsection A generic Clifford algebra
3181
3182 A generic Clifford algebra, i.e. a
3183 @tex
3184 $2^n$
3185 @end tex
3186 dimensional algebra with
3187 generators 
3188 @tex $e_k$
3189 @end tex 
3190 satisfying the identities 
3191 @tex
3192 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) $
3193 @end tex
3194 @ifnottex
3195 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j)
3196 @end ifnottex
3197 for some matrix (@code{metric})
3198 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric and containing symbolic
3199 entries. Such generators are created by the function
3200
3201 @example
3202     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);
3203 @end example
3204
3205 where @code{mu} should be a @code{varidx} class object indexing the
3206 generators, @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3207 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3208 object, optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3209 Clifford algebras (which will commute with each other). Note that the call
3210 @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates something very close to
3211 @code{dirac_gamma(mu)}. The method @code{clifford::get_metric()} returns a
3212 metric defining this Clifford number.
3213
3214 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3215 the Clifford algebra units with a call like that
3216
3217 @example
3218     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3219 @end example
3220
3221 since this may yield some further automatic simplifications.
3222
3223 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3224 ways. For example 
3225
3226 @example
3227 @{
3228     ... 
3229     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3230     realsymbol s("s");
3231     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3232     ex e = clifford_unit(nu, M);
3233     ex e0 = e.subs(nu == 0);
3234     ex e1 = e.subs(nu == 1);
3235     ex e2 = e.subs(nu == 2);
3236     ex e3 = e.subs(nu == 3);
3237     ...
3238 @}
3239 @end example
3240
3241 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3242 @tex
3243 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3244 @end tex
3245 @ifnottex
3246 @code{pow(e0, 2) = 1},  @code{pow(e1, 2) = -1},   @code{pow(e2, 2) = 0} and   @code{pow(e3, 2) = s}. 
3247 @end ifnottex
3248
3249 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3250 A similar effect can be achieved from the function
3251
3252 @example
3253     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3254                        unsigned char rl = 0);
3255     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3256 @end example
3257
3258 which converts a list or vector 
3259 @tex
3260 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3261 @end tex
3262 @ifnottex
3263 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3264 @end ifnottex
3265 into the
3266 Clifford number 
3267 @tex
3268 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3269 @end tex
3270 @ifnottex
3271 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3272 @end ifnottex
3273 with @samp{e.k}
3274 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3275 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3276 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3277 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3278
3279 @example
3280 @{
3281     ...
3282     varidx nu(symbol("nu"), 4);
3283     realsymbol s("s");
3284     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3285     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), nu, M);
3286     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), nu, M);
3287     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), nu, M);
3288     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), nu, M);
3289   ...
3290 @}
3291 @end example
3292
3293 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3294 There is the inverse function 
3295
3296 @example
3297     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3298 @end example
3299
3300 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3301 @tex
3302 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3303 @end tex
3304 @ifnottex
3305 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3306 @end ifnottex
3307 such that 
3308 @tex
3309 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3310 @end tex
3311 @ifnottex
3312 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3313 @end ifnottex
3314 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3315 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3316 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3317 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3318 @tex
3319 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3320 @end tex
3321 @ifnottex
3322 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3323 @end ifnottex
3324 is zero or is not a @code{numeric} for some @samp{k}
3325 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3326 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3327
3328 @cindex @code{clifford_prime()}
3329 @cindex @code{clifford_star()}
3330 @cindex @code{clifford_bar()}
3331 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3332
3333 @example
3334     ex clifford_prime(const ex & e)
3335     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3336     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3337 @end example
3338
3339 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3340 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3341 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3342 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3343 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3344 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3345 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3346 in a product. These functions correspond to the notations
3347 @math{e'},
3348 @tex
3349 $e^*$
3350 @end tex
3351 @ifnottex
3352 e*
3353 @end ifnottex
3354 and
3355 @tex
3356 $\overline{e}$
3357 @end tex
3358 @ifnottex
3359 @code{\bar@{e@}}
3360 @end ifnottex
3361 used in Clifford algebra textbooks.
3362
3363 @cindex @code{clifford_norm()}
3364 The function
3365
3366 @example
3367     ex clifford_norm(const ex & e);
3368 @end example
3369
3370 @cindex @code{clifford_inverse()}
3371 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3372 @tex
3373 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3374 @end tex
3375 @ifnottex
3376 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3377 @end ifnottex
3378  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3379
3380 @example
3381     ex clifford_inverse(const ex & e);
3382 @end example
3383
3384 which calculates it as 
3385 @tex
3386 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3387 @end tex
3388 @ifnottex
3389 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3390 @end ifnottex
3391  If
3392 @tex
3393 $||e|| = 0$
3394 @end tex
3395 @ifnottex
3396 @math{||e||=0}
3397 @end ifnottex
3398 then an exception is raised.
3399
3400 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3401 If a Clifford number happens to be a factor of
3402 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3403 expression by the function
3404
3405 @example
3406     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3407 @end example
3408
3409 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3410 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3411 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3412
3413 The last provided function is
3414
3415 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3416 @example
3417     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3418                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3419                             unsigned char rl = 0);
3420     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3421                             unsigned char rl = 0);
3422 @end example 
3423
3424 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3425 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3426 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3427 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be a
3428 matrix or a Clifford unit, in the later case the parameter @code{rl} is
3429 ignored even if supplied.  The returned value of this function is a list
3430 of components of the resulting vector.
3431
3432 LaTeX output for Clifford units looks like @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}},
3433 where @code{1} is the @code{representation_label} and @code{\nu} is the
3434 index of the corresponding unit. This provides a flexible typesetting
3435 with a suitable defintion of the @code{\clifford} command. For example, the
3436 definition 
3437 @example
3438     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3439 @end example
3440 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3441 @example
3442     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3443 @end example
3444 prints units with @code{representation_label=0} as 
3445 @tex
3446 $e$,
3447 @end tex
3448 @ifnottex
3449 @code{e},
3450 @end ifnottex
3451 with @code{representation_label=1} as 
3452 @tex
3453 $\tilde{e}$
3454 @end tex
3455 @ifnottex
3456 @code{\tilde@{e@}}
3457 @end ifnottex
3458  and with @code{representation_label=2} as 
3459 @tex
3460 $\breve{e}$.
3461 @end tex
3462 @ifnottex
3463 @code{\breve@{e@}}.
3464 @end ifnottex
3465
3466 @cindex @code{color} (class)
3467 @subsection Color algebra
3468
3469 @cindex @code{color_T()}
3470 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3471 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3472 elements @math{T_a} are constructed by the function
3473
3474 @example
3475 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3476 @end example
3477
3478 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3479 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3480 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3481 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3482 not @code{varidx}.
3483
3484 @cindex @code{color_ONE()}
3485 The unity element of a color algebra is constructed by
3486
3487 @example
3488 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3489 @end example
3490
3491 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3492 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3493 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3494 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3495 GiNaC may produce incorrect results.
3496
3497 @cindex @code{color_d()}
3498 @cindex @code{color_f()}
3499 The functions
3500
3501 @example
3502 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3503 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3504 @end example
3505
3506 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3507 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3508 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3509
3510 These functions evaluate to their numerical values,
3511 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3512 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3513 goes along better with the notations used in physical literature.
3514
3515 @cindex @code{color_h()}
3516 There's an additional function
3517
3518 @example
3519 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3520 @end example
3521
3522 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3523
3524 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3525 expressions containing color objects:
3526
3527 @example
3528 @{
3529     ...
3530     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3531         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3532
3533     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3534     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3535      // -> 0
3536
3537     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3538     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3539      // -> 5/3*delta.k.l
3540
3541     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3542     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3543      // -> 3*delta.k.l
3544
3545     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3546     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3547      // -> -32/3
3548
3549     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3550     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3551      // -> -2/3*T.a
3552
3553     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3554     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3555      // -> -8/9*ONE
3556
3557     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3558     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3559      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3560     ...
3561 @end example
3562
3563 @cindex @code{color_trace()}
3564 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3565 of the functions
3566
3567 @example
3568 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3569 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3570 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3571 @end example
3572
3573 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3574 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3575 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3576 example:
3577
3578 @example
3579     ...
3580     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3581     cout << e << endl;
3582      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3583 @}
3584 @end example
3585
3586
3587 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3588 @c    node-name, next, previous, up
3589 @section Hash Maps
3590 @cindex hash maps
3591 @cindex @code{exhashmap} (class)
3592
3593 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3594 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3595 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3596 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3597
3598 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3599 following differences:
3600
3601 @itemize @bullet
3602 @item
3603 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3604 @item
3605 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3606 @item 
3607 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3608 @item
3609 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3610 @code{ex_is_less}
3611 @item
3612 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3613 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3614 larger than the specified value)
3615 @item
3616 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3617 table
3618 @item 
3619 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3620 @end itemize
3621
3622
3623 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3624 @c    node-name, next, previous, up
3625 @chapter Methods and Functions
3626 @cindex polynomial
3627
3628 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3629 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3630 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3631 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3632 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3633 example:
3634
3635 @example
3636     ...
3637     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3638     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3639     ...
3640 @end example
3641
3642 @cindex @code{subs()}
3643 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3644 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3645 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3646 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3647 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3648 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3649 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3650 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3651 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3652 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3653 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3654 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3655 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3656 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3657 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3658 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3659 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3660 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3661 avoided.
3662
3663 @menu
3664 * Information About Expressions::
3665 * Numerical Evaluation::
3666 * Substituting Expressions::
3667 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3668 * Applying a Function on Subexpressions::
3669 * Visitors and Tree Traversal::
3670 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3671 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3672 * Symbolic Differentiation::
3673 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3674 * Symmetrization::
3675 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3676 * Multiple polylogarithms::
3677 * Complex Conjugation::
3678 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3679 * Solving Linear Systems of Equations::
3680 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3681 @end menu
3682
3683
3684 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3685 @c    node-name, next, previous, up
3686 @section Getting information about expressions
3687
3688 @subsection Checking expression types
3689 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3690 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3691 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3692 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3693 @cindex @code{info()}
3694 @cindex @code{return_type()}
3695 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3696
3697 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3698 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3699 GiNaC provides a couple of functions for this:
3700
3701 @example
3702 bool is_a<T>(const ex & e);
3703 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3704 bool ex::info(unsigned flag);
3705 unsigned ex::return_type() const;
3706 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3707 @end example
3708
3709 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3710 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3711 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3712 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3713
3714 @example
3715 @{
3716     @dots{}
3717     if (is_a<numeric>(e))
3718         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3719     @dots{}
3720 @}
3721 @end example
3722
3723 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3724 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3725 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3726 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3727
3728 @example
3729 @{
3730     symbol x("x");
3731     ex e1 = 42;
3732     ex e2 = 4*x - 3;
3733     is_a<numeric>(e1);  // true
3734     is_a<numeric>(e2);  // false
3735     is_a<add>(e1);      // false
3736     is_a<add>(e2);      // true
3737     is_a<mul>(e1);      // false
3738     is_a<mul>(e2);      // false
3739 @}
3740 @end example
3741
3742 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3743 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3744 class @samp{T}, not including parent classes.
3745
3746 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3747 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3748 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3749 table:
3750
3751 @cartouche
3752 @multitable @columnfractions .30 .70
3753 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3754 @item @code{numeric}
3755 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3756 @item @code{real}
3757 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3758 @item @code{rational}
3759 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3760 @item @code{integer}
3761 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3762 @item @code{crational}
3763 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3764 @item @code{cinteger}
3765 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3766 @item @code{positive}
3767 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3768 @item @code{negative}
3769 @tab @dots{}not complex and less than 0
3770 @item @code{nonnegative}
3771 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3772 @item @code{posint}
3773 @tab @dots{}an integer greater than 0
3774 @item @code{negint}
3775 @tab @dots{}an integer less than 0
3776 @item @code{nonnegint}
3777 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3778 @item @code{even}
3779 @tab @dots{}an even integer
3780 @item @code{odd}
3781 @tab @dots{}an odd integer
3782 @item @code{prime}
3783 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3784 @item @code{relation}
3785 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3786 @item @code{relation_equal}
3787 @tab @dots{}a @code{==} relation
3788 @item @code{relation_not_equal}
3789 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3790 @item @code{relation_less}
3791 @tab @dots{}a @code{<} relation
3792 @item @code{relation_less_or_equal}
3793 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3794 @item @code{relation_greater}
3795 @tab @dots{}a @code{>} relation
3796 @item @code{relation_greater_or_equal}
3797 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3798 @item @code{symbol}
3799 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3800 @item @code{list}
3801 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3802 @item @code{polynomial}
3803 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3804 @item @code{integer_polynomial}
3805 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3806 @item @code{cinteger_polynomial}
3807 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3808 @item @code{rational_polynomial}
3809 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3810 @item @code{crational_polynomial}
3811 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3812 @item @code{rational_function}
3813 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3814 @item @code{algebraic}
3815 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3816 @end multitable
3817 @end cartouche
3818
3819 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3820 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3821 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3822 for an explanation of these.
3823
3824
3825 @subsection Accessing subexpressions
3826 @cindex container
3827
3828 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3829 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3830 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3831 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3832
3833 @cindex @code{nops()}
3834 @cindex @code{op()}
3835 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3836 use the two methods
3837
3838 @example
3839 size_t ex::nops();
3840 ex ex::op(size_t i);
3841 @end example
3842
3843 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3844 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3845 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3846 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3847 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3848 @math{i>0} are the indices.
3849
3850 @cindex iterators
3851 @cindex @code{const_iterator}
3852 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3853 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3854
3855 @example
3856 const_iterator ex::begin();
3857 const_iterator ex::end();
3858 @end example
3859
3860 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3861 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3862 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3863 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3864
3865 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3866 given expression in three different ways:
3867
3868 @example
3869 @{
3870     ex e = ...
3871
3872     // with nops()/op()
3873     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3874         cout << e.op(i) << endl;
3875
3876     // with iterators
3877     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3878         cout << *i << endl;
3879
3880     // with iterators and STL copy()
3881     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3882 @}
3883 @end example
3884
3885 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3886 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3887 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3888 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3889 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3890 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3891 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3892 methods
3893
3894 @example
3895 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3896 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3897 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3898 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3899 @end example
3900
3901 The following example illustrates the differences between
3902 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3903 @code{const_postorder_iterator}:
3904
3905 @example
3906 @{
3907     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3908     ex e = lst(lst(A, B), C);
3909
3910     std::copy(e.begin(), e.end(),
3911               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3912     // @{A,B@}
3913     // C
3914
3915     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3916               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3917     // @{@{A,B@},C@}
3918     // @{A,B@}
3919     // A
3920     // B
3921     // C
3922
3923     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3924               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3925     // A
3926     // B
3927     // @{A,B@}
3928     // C
3929     // @{@{A,B@},C@}
3930 @}
3931 @end example
3932
3933 @cindex @code{relational} (class)
3934 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3935 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3936 methods
3937
3938 @example
3939 ex ex::lhs();
3940 ex ex::rhs();
3941 @end example
3942
3943
3944 @subsection Comparing expressions
3945 @cindex @code{is_equal()}
3946 @cindex @code{is_zero()}
3947
3948 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3949 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3950 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3951 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3952 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3953 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3954 @code{false}.
3955
3956 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3957 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3958 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3959
3960 There are also two methods
3961
3962 @example
3963 bool ex::is_equal(const ex & other);
3964 bool ex::is_zero();
3965 @end example
3966
3967 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3968 respectively.
3969
3970
3971 @subsection Ordering expressions
3972 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3973 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3974 @cindex @code{compare()}
3975
3976 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3977 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3978 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3979 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3980
3981 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3982 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3983 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3984 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3985 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3986 yield @code{true}.
3987
3988 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3989 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3990 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3991 predicates to the STL:
3992
3993 @example
3994 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3995 public:
3996     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3997 @};
3998
3999 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4000 public:
4001     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4002 @};
4003 @end example
4004
4005 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4006 have to use
4007
4008 @example
4009 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4010 @end example
4011
4012 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4013 bugs because the map operates improperly.
4014
4015 Other examples for the use of the functors:
4016
4017 @example
4018 std::vector<ex> v;
4019 // fill vector
4020 ...
4021
4022 // sort vector
4023 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4024
4025 // count the number of expressions equal to '1'
4026 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4027                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4028 @end example
4029
4030 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4031
4032 @example
4033 int ex::compare(const ex & other) const;
4034 @end example
4035
4036 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4037 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4038 after @code{other}.
4039
4040
4041 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
4042 @c    node-name, next, previous, up
4043 @section Numerical Evaluation
4044 @cindex @code{evalf()}
4045
4046 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4047 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4048
4049 @example
4050 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4051 @end example
4052
4053 @cindex @code{Digits}
4054 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4055 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4056 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4057
4058 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4059 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4060
4061 @example
4062 @{
4063     // Approximate sin(x/Pi)
4064     symbol x("x");
4065     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4066
4067     // Evaluate numerically at x=0.1
4068     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4069
4070     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4071     if (is_a<numeric>(f)) @{
4072         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4073         cout << d << endl;
4074          // -> 0.0318256
4075     @} else
4076         // error
4077 @}
4078 @end example
4079
4080
4081 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
4082 @c    node-name, next, previous, up
4083 @section Substituting expressions
4084 @cindex @code{subs()}
4085
4086 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4087 expressions via the @code{.subs()} method:
4088
4089 @example
4090 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4091 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4092 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4093 @end example
4094
4095 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4096 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4097
4098 @example
4099 @{
4100     symbol x("x"), y("y");
4101
4102     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4103     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4104      // -> 73
4105
4106     ex e2 = x*y + x;
4107     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4108      // -> -10
4109 @}
4110 @end example
4111
4112 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4113 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4114
4115 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4116 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4117 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4118 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4119 be substituted is large or unknown.
4120
4121 Using this form, the second example from above would look like this:
4122
4123 @example
4124 @{
4125     symbol x("x"), y("y");
4126     ex e2 = x*y + x;
4127
4128     exmap m;
4129     m[x] = -2;
4130     m[y] = 4;
4131     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4132 @}
4133 @end example
4134
4135 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4136 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4137 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4138
4139 @example
4140 @{
4141     symbol x("x"), y("y");
4142     ex e2 = x*y + x;
4143
4144     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4145 @}
4146 @end example
4147
4148 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4149 @code{subs_options} flags. There are two options available:
4150 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4151 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4152 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4153 algebraic substitutions in products and powers.
4154 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
4155 about patterns and algebraic substitutions.
4156
4157 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4158 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4159 following example:
4160
4161 @example
4162 @{
4163     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4164
4165     ex e1 = pow(x+y, 2);
4166     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4167      // -> 16
4168
4169     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4170     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4171      // -> cos(x)^2*sin(y)
4172
4173     ex e3 = x+y+z;
4174     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4175      // -> x+y+z
4176      // (and not 4+z as one might expect)
4177 @}
4178 @end example
4179
4180 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4181 next section.
4182
4183
4184 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
4185 @c    node-name, next, previous, up
4186 @section Pattern matching and advanced substitutions
4187 @cindex @code{wildcard} (class)
4188 @cindex Pattern matching
4189
4190 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4191 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4192 substituting expressions in a more general way.
4193
4194 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4195 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4196 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4197 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4198 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4199 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4200 with the call
4201
4202 @example
4203 ex wild(unsigned label = 0);
4204 @end example
4205
4206 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4207 name.
4208
4209 Some examples for patterns:
4210
4211 @multitable @columnfractions .5 .5
4212 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4213 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4214 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4215 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4216 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4217 @end multitable
4218
4219 Notes:
4220
4221 @itemize
4222 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4223   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4224 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4225   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4226   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4227 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4228   possible to use them as placeholders for other properties like index
4229   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4230   etc.
4231 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4232   as part of noncommutative products.
4233 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4234   are also valid patterns.
4235 @end itemize
4236
4237 @subsection Matching expressions
4238 @cindex @code{match()}
4239 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4240 matches a given pattern. This is done by the function
4241
4242 @example
4243 bool ex::match(const ex & pattern);
4244 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4245 @end example
4246
4247 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4248 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4249 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4250 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4251 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4252 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4253 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4254 expressions by passing in the result of a previous match.
4255
4256 The matching algorithm works as follows:
4257
4258 @itemize
4259 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4260   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4261   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4262   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4263 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4264   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4265   etc.).
4266 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4267   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4268 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4269   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4270   of the pattern.
4271 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4272   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4273 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4274   match the corresponding subexpression of the pattern.
4275 @end itemize
4276
4277 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4278 account for their commutativity and associativity:
4279
4280 @itemize
4281 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4282   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4283   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4284   way.
4285 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4286   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4287   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4288   further matches.
4289 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4290   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4291   which case this wildcard matches the remaining terms.
4292 @end itemize
4293
4294 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4295 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4296 ambiguous results.
4297
4298 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4299 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4300 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4301
4302 @example
4303 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4304 @{@}
4305 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4306 FAIL
4307 > match((x+y)^a,$1^$2);
4308 @{$1==x+y,$2==a@}
4309 > match((x+y)^a,$1^$1);
4310 FAIL
4311 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4312 @{$1==x+y@}
4313 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4314 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4315 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4316 @{$1==a@}
4317 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4318 @{$1==c,$2==b@}
4319   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4320 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4321   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4322    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4323    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4324    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4325    fail.)
4326 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4327   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4328    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4329 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4330 FAIL
4331 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4332 @{$0==a+e+b+f+d@}
4333 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4334 @{$0==a+b+f+d@}
4335 > match(a+b,a+b+$0);
4336 @{$0==0@}
4337 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4338 FAIL
4339   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4340    even though a==a^1.)
4341 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4342 @{$0==x@}
4343 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4344 @{$0==x^2@}
4345 @end example
4346
4347 @subsection Matching parts of expressions
4348 @cindex @code{has()}
4349 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4350 member function
4351
4352 @example
4353 bool ex::has(const ex & pattern);
4354 @end example
4355
4356 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4357 by any of its subexpressions.
4358
4359 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4360 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4361
4362 @example
4363 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4364 1
4365 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4366 0
4367   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4368    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4369 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4370 1
4371   (But this is possible.)
4372 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4373 0
4374   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4375    which "x+y" is not a subexpression.)
4376 > has(x+1,x^$1);
4377 0
4378   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4379    "x^something".)
4380 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4381 1
4382 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4383 0
4384   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4385    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4386    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4387 @end example
4388
4389 @cindex @code{find()}
4390 The method
4391
4392 @example
4393 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4394 @end example
4395
4396 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4397 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4398 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4399 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4400 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4401
4402 @example
4403 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4404 @{x@}
4405 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4406 @{@}
4407 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4408 @{x^3,x^2@}
4409   (Note the absence of "x".)
4410 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4411 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4412 > find(%,sin($1));
4413 @{sin(y),sin(x)@}
4414 @end example
4415
4416 @subsection Substituting expressions
4417 @cindex @code{subs()}
4418 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4419 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4420 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4421 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4422 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4423
4424 Some examples:
4425
4426 @example
4427 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4428 b^3+a^3+(x+y)^3
4429 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4430 b^4+a^4+(x+y)^4
4431 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4432 (a+b+c)^2
4433 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4434 (x+c)^2
4435 > subs(a+2*b,a+b==x);
4436 a+2*b
4437 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4438 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4439 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4440 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4441 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4442 cos(1+cos(x))
4443 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4444 a+b
4445 @end example
4446
4447 The last example would be written in C++ in this way:
4448
4449 @example
4450 @{
4451     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4452     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4453     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4454     cout << e.expand() << endl;
4455      // -> a+b
4456 @}
4457 @end example
4458
4459 @subsection Algebraic substitutions
4460 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4461 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4462 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4463 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4464 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4465 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4466 powers.
4467
4468 An example clarifies it all (hopefully):
4469
4470 @example
4471 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4472                                         subs_options::algebraic) << endl;
4473 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4474
4475 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4476 // --> (c+b+a)^2
4477 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4478
4479 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4480                                                                       << endl;
4481 // --> (x+c)^2
4482 // As I said: addition is just the same.
4483
4484 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4485 // --> x^3*b*a^2+2*b
4486
4487 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4488                                                                        << endl;
4489 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4490
4491 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4492 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4493
4494 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4495                                 subs_options::algebraic) << endl;
4496 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4497 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4498 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4499
4500 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4501                                 subs_options::algebraic) << endl;
4502 // --> cos(1+cos(x))
4503
4504 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4505         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4506                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4507 // --> b+a
4508 @end example
4509
4510
4511 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4512 @c    node-name, next, previous, up
4513 @section Applying a Function on Subexpressions
4514 @cindex tree traversal
4515 @cindex @code{map()}
4516
4517 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4518 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4519 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4520 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4521 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4522 to do this manually which usually results in code like this:
4523
4524 @example
4525 ex calc_trace(ex e)
4526 @{
4527     if (is_a<matrix>(e))
4528         return ex_to<matrix>(e).trace();
4529     else if (is_a<add>(e)) @{
4530         ex sum = 0;
4531         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4532             sum += calc_trace(e.op(i));
4533         return sum;
4534     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4535         ...
4536     @} else @{
4537         ...
4538     @}
4539 @}
4540 @end example
4541
4542 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4543 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4544 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4545 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4546 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4547
4548 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4549 operations:
4550
4551 @example
4552 ex ex::map(map_function & f) const;
4553 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4554 @end example
4555
4556 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4557 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4558 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4559 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4560 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4561 non-recursively.
4562
4563 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4564 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4565 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4566 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4567 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4568
4569 @example
4570 struct calc_trace : public map_function @{
4571     ex operator()(const ex &e)
4572     @{
4573         if (is_a<matrix>(e))
4574             return ex_to<matrix>(e).trace();
4575         else if (is_a<mul>(e)) @{
4576             ...
4577         @} else
4578             return e.map(*this);
4579     @}
4580 @};
4581 @end example
4582
4583 This function object could then be used like this:
4584
4585 @example
4586 @{
4587     ex M = ... // expression with matrices
4588     calc_trace do_trace;
4589     ex tr = do_trace(M);
4590 @}
4591 @end example
4592
4593 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4594 terms in a variable from an expanded polynomial:
4595
4596 @example
4597 struct map_rem_quad : public map_function @{
4598     ex var;
4599     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4600
4601     ex operator()(const ex & e)
4602     @{
4603         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4604             return e.map(*this);
4605         else if (is_a<power>(e) && 
4606                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4607             return 0;
4608         else
4609             return e;
4610     @}
4611 @};
4612
4613 ...
4614
4615 @{
4616     symbol x("x"), y("y");
4617
4618     ex e;
4619     for (int i=0; i<8; i++)
4620         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4621     cout << e << endl;
4622      // -> 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
4623
4624     map_rem_quad rem_quad(x);
4625     cout << rem_quad(e) << endl;
4626      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4627 @}
4628 @end example
4629
4630 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4631 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4632 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4633 acts as the placeholder for the operands:
4634
4635 @example
4636 > map(a*b,sin($0));
4637 sin(a)*sin(b)
4638 > map(a+2*b,sin($0));
4639 sin(a)+sin(2*b)
4640 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4641 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4642 @end example
4643
4644 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4645 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4646 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4647
4648 @example
4649 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4650 @{0,0,0@}
4651   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4652   to "map(@{a,b,c@},0)".
4653 @end example
4654
4655
4656 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4657 @c    node-name, next, previous, up
4658 @section Visitors and Tree Traversal
4659 @cindex tree traversal
4660 @cindex @code{visitor} (class)
4661 @cindex @code{accept()}
4662 @cindex @code{visit()}
4663 @cindex @code{traverse()}
4664 @cindex @code{traverse_preorder()}
4665 @cindex @code{traverse_postorder()}
4666
4667 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4668 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4669 indices with variance you always want the covariant version returned.
4670
4671 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4672 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4673 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4674 with variance, one for plain ones).
4675
4676 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4677 such as the following:
4678
4679 @example
4680 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4681 @{
4682     if (is_a<varidx>(e)) @{
4683         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4684         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4685     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4686         l.append(e);
4687     @} else @{
4688         size_t n = e.nops();
4689         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4690             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4691     @}
4692 @}
4693
4694 lst gather_indices(const ex & e)
4695 @{
4696     lst l;
4697     gather_indices_helper(e, l);
4698     l.sort();
4699     l.unique();
4700     return l;
4701 @}
4702 @end example
4703
4704 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4705 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4706 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4707
4708 @example
4709     if (is_a<idx>(e)) @{
4710       ...
4711     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4712       ...
4713 @end example
4714
4715 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4716 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4717 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4718 executed.
4719
4720 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4721 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4722 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4723 write a function that required a different implementation for nearly
4724 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4725
4726 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4727 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4728 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4729 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4730 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4731 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4732 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4733 presented this would be impractical.
4734
4735 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4736 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4737 variation, described in detail in
4738 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4739 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4740 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4741 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4742 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4743 object that @code{accept()} was being invoked on.
4744
4745 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4746 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4747 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4748 each class.
4749
4750 A call of
4751
4752 @example
4753 void ex::accept(visitor & v) const;
4754 @end example
4755
4756 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4757 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4758 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4759
4760 Here is an example of a visitor:
4761
4762 @example
4763 class my_visitor
4764  : public visitor,          // this is required
4765    public add::visitor,     // visit add objects
4766    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4767    public basic::visitor    // visit basic objects
4768 @{
4769     void visit(const add & x)
4770     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4771
4772     void visit(const numeric & x)
4773     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4774
4775     void visit(const basic & x)
4776     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4777 @};
4778 @end example
4779
4780 which can be used as follows:
4781
4782 @example
4783 ...
4784     symbol x("x");
4785     ex e1 = 42;
4786     ex e2 = 4*x-3;
4787     ex e3 = 8*x;
4788
4789     my_visitor v;
4790     e1.accept(v);
4791      // prints "called with a numeric object"
4792     e2.accept(v);
4793      // prints "called with an add object"
4794     e3.accept(v);
4795      // prints "called with a basic object"
4796 ...
4797 @end example
4798
4799 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4800 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4801
4802 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4803 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4804 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4805 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4806 hierarchies of visitors.
4807
4808 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4809
4810 @example
4811 class gather_indices_visitor
4812  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4813 @{
4814     lst l;
4815
4816     void visit(const idx & i)
4817     @{
4818         l.append(i);
4819     @}
4820
4821     void visit(const varidx & vi)
4822     @{
4823         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4824     @}
4825
4826 public:
4827     const lst & get_result() // utility function
4828     @{
4829         l.sort();
4830         l.unique();
4831         return l;
4832     @}
4833 @};
4834 @end example
4835
4836 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4837 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4838
4839 @example
4840 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4841 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4842 void ex::traverse(visitor & v) const;
4843 @end example
4844
4845 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4846 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4847 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4848 @code{traverse_preorder()}.
4849
4850 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4851 and @code{traverse()}:
4852
4853 @example
4854 lst gather_indices(const ex & e)
4855 @{
4856     gather_indices_visitor v;
4857     e.traverse(v);
4858     return v.get_result();
4859 @}
4860 @end example
4861
4862 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4863 traversal:
4864
4865 @example
4866 lst gather_indices(const ex & e)
4867 @{
4868     gather_indices_visitor v;
4869     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4870          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4871         i->accept(v);
4872     @}
4873     return v.get_result();
4874 @}
4875 @end example
4876
4877
4878 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4879 @c    node-name, next, previous, up
4880 @section Polynomial arithmetic
4881
4882 @subsection Expanding and collecting
4883 @cindex @code{expand()}
4884 @cindex @code{collect()}
4885 @cindex @code{collect_common_factors()}
4886
4887 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4888 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4889 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4890 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4891 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4892 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4893 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4894 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4895 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4896 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4897 x*z}.
4898
4899 To bring an expression into expanded form, its method
4900
4901 @example
4902 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4903 @end example
4904
4905 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4906 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4907 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4908 orderings of terms in such sums!
4909
4910 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4911 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4912 being polynomials in the remaining variables.  The method
4913 @code{collect()} accomplishes this task:
4914
4915 @example
4916 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4917 @end example
4918
4919 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4920 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4921 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4922 by the @code{distributed} flag.
4923
4924 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4925 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4926 coefficients properly.
4927
4928 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4929 together with @code{find()}:
4930
4931 @example
4932 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4933 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)
4934 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4935 > collect(a,@{p,q@});
4936 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
4937 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4938 > collect(a,find(a,sin($1)));
4939 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4940 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4941 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4942 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4943 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4944 @end example
4945
4946 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4947 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4948
4949 @example
4950 ex collect_common_factors(const ex & e);
4951 @end example
4952
4953 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4954 factors which are already explicitly present:
4955
4956 @example
4957 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4958 (x+y)*a
4959 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4960 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4961 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4962 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4963 @end example
4964
4965 @subsection Degree and coefficients
4966 @cindex @code{degree()}
4967 @cindex @code{ldegree()}
4968 @cindex @code{coeff()}
4969
4970 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4971 methods
4972
4973 @example
4974 int ex::degree(const ex & s);
4975 int ex::ldegree(const ex & s);
4976 @end example
4977
4978 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4979 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4980 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4981 an expanded polynomial you use
4982
4983 @example
4984 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4985 @end example
4986
4987 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4988
4989 @example
4990 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4991 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4992 @end example
4993
4994 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4995 respectively.
4996
4997 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4998 polynomial is analyzed:
4999
5000 @example
5001 @{
5002     symbol x("x"), y("y");
5003     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5004                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5005     ex Poly = PolyInp.expand();
5006     
5007     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5008         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5009              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5010     @}
5011     cout << "As polynomial in y: " 
5012          << Poly.collect(y) << endl;
5013 @}
5014 @end example
5015
5016 When run, it returns an output in the following fashion:
5017
5018 @example
5019 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5020 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5021 The x^2-coefficient is -1
5022 The x^3-coefficient is 4*y
5023 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5024 @end example
5025
5026 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5027 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5028 within the user's sphere of influence.
5029
5030 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5031 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5032 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5033 constants, functions and indexed objects as well:
5034
5035 @example
5036 @{
5037     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5038     idx i(symbol("i"), 3);
5039
5040     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5041     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5042      // -> 4
5043     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5044      // -> -4*cos(x)
5045
5046     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5047     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5048     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5049      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5050 @}
5051 @end example
5052
5053
5054 @subsection Polynomial division
5055 @cindex polynomial division
5056 @cindex quotient
5057 @cindex remainder
5058 @cindex pseudo-remainder
5059 @cindex @code{quo()}
5060 @cindex @code{rem()}
5061 @cindex @code{prem()}
5062 @cindex @code{divide()}
5063
5064 The two functions
5065
5066 @example
5067 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5068 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5069 @end example
5070
5071 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5072 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5073
5074 The additional function
5075
5076 @example
5077 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5078 @end example
5079
5080 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5081 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5082
5083 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5084
5085 @example
5086 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5087 @end example
5088
5089 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5090 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5091 in which case the value of @code{q} is undefined.
5092
5093
5094 @subsection Unit, content and primitive part
5095 @cindex @code{unit()}
5096 @cindex @code{content()}
5097 @cindex @code{primpart()}
5098 @cindex @code{unitcontprim()}
5099
5100 The methods
5101
5102 @example
5103 ex ex::unit(const ex & x);
5104 ex ex::content(const ex & x);
5105 ex ex::primpart(const ex & x);
5106 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5107 @end example
5108
5109 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5110 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5111 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5112 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5113 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5114 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5115 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5116 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5117
5118 Additionally, the method
5119
5120 @example
5121 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5122 @end example
5123
5124 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5125 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5126
5127
5128 @subsection GCD, LCM and resultant
5129 @cindex GCD
5130 @cindex LCM
5131 @cindex @code{gcd()}
5132 @cindex @code{lcm()}
5133
5134 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5135 multiple have the synopsis
5136
5137 @example
5138 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5139 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5140 @end example
5141
5142 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5143 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5144 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5145 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5146 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
5147
5148 @example
5149 #include <ginac/ginac.h>
5150 using namespace GiNaC;
5151
5152 int main()
5153 @{
5154     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5155     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5156     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5157
5158     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5159     // x + 5*y + 4*z
5160     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5161     // 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
5162 @}
5163 @end example
5164
5165 @cindex resultant
5166 @cindex @code{resultant()}
5167
5168 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5169 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5170 expressions. The function has the interface
5171
5172 @example
5173 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5174 @end example
5175
5176 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5177 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5178 @code{y}, respectively:
5179
5180 @example
5181 #include <ginac/ginac.h>
5182 using namespace GiNaC;
5183
5184 int main()
5185 @{
5186     symbol x("x"), y("y");
5187
5188     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5189     ex r;
5190     
5191     r = resultant(e1, e2, x); 
5192     // -> 1+2*y^6
5193     r = resultant(e1, e2, y); 
5194     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5195 @}
5196 @end example
5197
5198 @subsection Square-free decomposition
5199 @cindex square-free decomposition
5200 @cindex factorization
5201 @cindex @code{sqrfree()}
5202
5203 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5204 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5205 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5206 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5207 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5208 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5209 one, too:
5210 @example
5211 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5212 @end example
5213 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5214 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5215 some care with subsequent processing of the result:
5216 @example
5217     ...
5218     symbol x("x"), y("y");
5219     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5220
5221     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5222      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5223
5224     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5225      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5226
5227     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5228      // -> depending on luck, any of the above
5229     ...
5230 @end example
5231 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5232 with this method.
5233
5234
5235 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
5236 @c    node-name, next, previous, up
5237 @section Rational expressions
5238
5239 @subsection The @code{normal} method
5240 @cindex @code{normal()}
5241 @cindex simplification
5242 @cindex temporary replacement
5243
5244 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5245 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5246 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5247 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5248 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5249 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5250
5251 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5252 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5253 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5254 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5255 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5256 @code{.to_rational()}, described below.
5257
5258 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5259 simplified in this little code snippet:
5260
5261 @example
5262 @{
5263     symbol x("x");
5264     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5265     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5266     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5267     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5268 @}
5269 @end example
5270
5271 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5272 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5273 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5274
5275
5276 @subsection Numerator and denominator
5277 @cindex numerator
5278 @cindex denominator
5279 @cindex @code{numer()}
5280 @cindex @code{denom()}
5281 @cindex @code{numer_denom()}
5282
5283 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5284
5285 @example
5286 ex ex::numer();
5287 ex ex::denom();
5288 ex ex::numer_denom();
5289 @end example
5290
5291 These functions will first normalize the expression as described above and
5292 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5293 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5294 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5295
5296
5297 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5298 @cindex @code{to_polynomial()}
5299 @cindex @code{to_rational()}
5300
5301 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5302 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5303 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5304 above. You do this by calling
5305
5306 @example
5307 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5308 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5309 @end example
5310 or
5311 @example
5312 ex ex::to_rational(exmap & m);
5313 ex ex::to_rational(lst & l);
5314 @end example
5315
5316 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5317 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5318 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5319 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5320 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5321 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5322
5323 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5324 is probably best illustrated with an example:
5325
5326 @example
5327 @{
5328     symbol x("x"), y("y");
5329     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5330     cout << a << endl;
5331
5332     lst lp;
5333     ex p = a.to_polynomial(lp);
5334     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5335      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5336      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5337
5338     lst lr;
5339     ex r = a.to_rational(lr);
5340     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5341      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5342      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5343 @}
5344 @end example
5345
5346 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5347
5348 @example
5349 @{
5350     symbol x("x");
5351     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5352     ex b = sin(x) + cos(x);
5353     ex q;
5354     exmap m;
5355     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5356     cout << q.subs(m) << endl;
5357 @}
5358 @end example
5359
5360
5361 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
5362 @c    node-name, next, previous, up
5363 @section Symbolic differentiation
5364 @cindex differentiation
5365 @cindex @code{diff()}
5366 @cindex chain rule
5367 @cindex product rule
5368
5369 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5370 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5371 the derivatives of all the monomials:
5372
5373 @example
5374 @{
5375     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5376     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5377
5378     cout << P.diff(x,2) << endl;
5379      // -> 20*x^3 + 2
5380     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5381      // -> 1
5382     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5383      // -> 0
5384 @}
5385 @end example
5386
5387 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5388 returns the @var{n}th derivative.
5389
5390 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5391 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5392 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5393 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5394 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5395 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5396 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5397 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5398 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5399 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5400 lines:
5401
5402 @cindex Euler numbers
5403 @example
5404 #include <ginac/ginac.h>
5405 using namespace GiNaC;
5406
5407 ex EulerNumber(unsigned n)
5408 @{
5409     symbol x;
5410     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5411     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5412 @}
5413
5414 int main()
5415 @{
5416     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5417         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5418     return 0;
5419 @}
5420 @end example
5421
5422 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5423 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5424 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5425
5426
5427 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5428 @c    node-name, next, previous, up
5429 @section Series expansion
5430 @cindex @code{series()}
5431 @cindex Taylor expansion
5432 @cindex Laurent expansion
5433 @cindex @code{pseries} (class)
5434 @cindex @code{Order()}
5435
5436 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5437 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5438 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5439 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5440 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5441 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5442 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5443 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5444 term).  A sample application from special relativity could read:
5445
5446 @example
5447 #include <ginac/ginac.h>
5448 using namespace std;
5449 using namespace GiNaC;
5450
5451 int main()
5452 @{
5453     symbol v("v"), c("c");
5454     
5455     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5456     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5457     
5458     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5459          << mass_nonrel << endl;
5460     
5461     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5462          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5463 @}
5464 @end example
5465
5466 Only calling the series method makes the last output simplify to
5467 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5468 series raised to the power @math{-2}.
5469
5470 @cindex Machin's formula
5471 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5472 value of Archimedes' constant
5473 @tex
5474 $\pi$
5475 @end tex
5476 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5477 using John Machin's amazing formula
5478 @tex
5479 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5480 @end tex
5481 @ifnottex
5482 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5483 @end ifnottex
5484 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5485 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5486 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5487 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5488 order term with it and the question arises what the system is supposed
5489 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5490 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5491 term off:
5492
5493 @example
5494 #include <ginac/ginac.h>
5495 using namespace GiNaC;
5496
5497 ex machin_pi(int degr)
5498 @{
5499     symbol x;
5500     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5501     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5502                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5503     return pi_approx;
5504 @}
5505
5506 int main()
5507 @{
5508     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5509     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5510     ex pi_frac;
5511     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5512         pi_frac = machin_pi(i);
5513         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5514              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5515     @}
5516     return 0;
5517 @}
5518 @end example
5519
5520 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5521 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5522 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5523 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5524 program, it will type out:
5525
5526 @example
5527 2:      3804/1195
5528         3.1832635983263598326
5529 4:      5359397032/1706489875
5530         3.1405970293260603143
5531 6:      38279241713339684/12184551018734375
5532         3.141621029325034425
5533 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5534         3.141591772182177295
5535 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5536         3.1415926824043995174
5537 @end example
5538
5539
5540 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5541 @c    node-name, next, previous, up
5542 @section Symmetrization
5543 @cindex @code{symmetrize()}
5544 @cindex @code{antisymmetrize()}
5545 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5546
5547 The three methods
5548
5549 @example
5550 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5551 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5552 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5553 @end example
5554
5555 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5556 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5557 weighted by the number of permutations.
5558
5559 The three additional methods
5560
5561 @example
5562 ex ex::symmetrize();
5563 ex ex::antisymmetrize();
5564 ex ex::symmetrize_cyclic();
5565 @end example
5566
5567 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5568
5569 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5570 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5571
5572 @example
5573 @{
5574     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5575     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5576                                            
5577     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5578      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5579     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5580      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5581     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5582      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5583 @}
5584 @end example
5585
5586 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5587 @c    node-name, next, previous, up
5588 @section Predefined mathematical functions
5589 @c
5590 @subsection Overview
5591
5592 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5593
5594 @cartouche
5595 @multitable @columnfractions .30 .70
5596 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5597 @item @code{abs(x)}
5598 @tab absolute value
5599 @cindex @code{abs()}
5600 @item @code{csgn(x)}
5601 @tab complex sign
5602 @cindex @code{conjugate()}
5603 @item @code{conjugate(x)}
5604 @tab complex conjugation
5605 @cindex @code{csgn()}
5606 @item @code{sqrt(x)}
5607 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5608 @cindex @code{sqrt()}
5609 @item @code{sin(x)}
5610 @tab sine
5611 @cindex @code{sin()}
5612 @item @code{cos(x)}
5613 @tab cosine
5614 @cindex @code{cos()}
5615 @item @code{tan(x)}
5616 @tab tangent
5617 @cindex @code{tan()}
5618 @item @code{asin(x)}
5619 @tab inverse sine
5620 @cindex @code{asin()}
5621 @item @code{acos(x)}
5622 @tab inverse cosine
5623 @cindex @code{acos()}
5624 @item @code{atan(x)}
5625 @tab inverse tangent
5626 @cindex @code{atan()}
5627 @item @code{atan2(y, x)}
5628 @tab inverse tangent with two arguments
5629 @item @code{sinh(x)}
5630 @tab hyperbolic sine
5631 @cindex @code{sinh()}
5632 @item @code{cosh(x)}
5633 @tab hyperbolic cosine
5634 @cindex @code{cosh()}
5635 @item @code{tanh(x)}
5636 @tab hyperbolic tangent
5637 @cindex @code{tanh()}
5638 @item @code{asinh(x)}
5639 @tab inverse hyperbolic sine
5640 @cindex @code{asinh()}
5641 @item @code{acosh(x)}
5642 @tab inverse hyperbolic cosine
5643 @cindex @code{acosh()}
5644 @item @code{atanh(x)}
5645 @tab inverse hyperbolic tangent
5646 @cindex @code{atanh()}
5647 @item @code{exp(x)}
5648 @tab exponential function
5649 @cindex @code{exp()}
5650 @item @code{log(x)}
5651 @tab natural logarithm
5652 @cindex @code{log()}
5653 @item @code{Li2(x)}
5654 @tab dilogarithm
5655 @cindex @code{Li2()}
5656 @item @code{Li(m, x)}
5657 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5658 @cindex @code{Li()}
5659 @item @code{G(a, y)}
5660 @tab multiple polylogarithm
5661 @cindex @code{G()}
5662 @item @code{G(a, s, y)}
5663 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5664 @cindex @code{G()}
5665 @item @code{S(n, p, x)}
5666 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5667 @cindex @code{S()}
5668 @item @code{H(m, x)}
5669 @tab harmonic polylogarithm
5670 @cindex @code{H()}
5671 @item @code{zeta(m)}
5672 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5673 @cindex @code{zeta()}
5674 @item @code{zeta(m, s)}
5675 @tab alternating Euler sum
5676 @cindex @code{zeta()}
5677 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5678 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5679 @item @code{tgamma(x)}
5680 @tab gamma function
5681 @cindex @code{tgamma()}
5682 @cindex gamma function
5683 @item @code{lgamma(x)}
5684 @tab logarithm of gamma function
5685 @cindex @code{lgamma()}
5686 @item @code{beta(x, y)}
5687 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5688 @cindex @code{beta()}
5689 @item @code{psi(x)}
5690 @tab psi (digamma) function
5691 @cindex @code{psi()}
5692 @item @code{psi(n, x)}
5693 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5694 @item @code{factorial(n)}
5695 @tab factorial function @math{n!}
5696 @cindex @code{factorial()}
5697 @item @code{binomial(n, k)}
5698 @tab binomial coefficients
5699 @cindex @code{binomial()}
5700 @item @code{Order(x)}
5701 @tab order term function in truncated power series
5702 @cindex @code{Order()}
5703 @end multitable
5704 @end cartouche
5705
5706 @cindex branch cut
5707 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5708 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5709 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5710 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5711 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5712 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5713 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5714 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5715 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5716 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5717 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5718 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5719 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5720 compatible with C99.
5721
5722 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5723 @c    node-name, next, previous, up
5724 @subsection Multiple polylogarithms
5725
5726 @cindex polylogarithm
5727 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5728 @cindex harmonic polylogarithm
5729 @cindex multiple zeta value
5730 @cindex alternating Euler sum
5731 @cindex multiple polylogarithm
5732
5733 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5734 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5735 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5736 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5737 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5738 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5739 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5740 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5741 notations are more natural to the series representation or the integral
5742 representation, respectively.
5743
5744 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5745 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5746 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5747
5748 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5749 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5750 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5751 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5752 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5753 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5754 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5755 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5756 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5757 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5758 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5759
5760 The functions print in LaTeX format as
5761 @tex
5762 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5763 @end tex
5764 @tex
5765 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5766 @end tex
5767 @tex
5768 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5769 @end tex
5770 @tex
5771 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5772 @end tex
5773 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5774 are printed with a line above, e.g.
5775 @tex
5776 $\zeta(5,\overline{2})$.
5777 @end tex
5778 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5779
5780 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5781 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5782 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5783 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5784
5785 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5786 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5787 the series representation. This means
5788 @tex
5789 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5790 @end tex
5791 @tex
5792 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5793 @end tex
5794 @tex
5795 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5796 @end tex
5797 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5798 is reversed.
5799
5800 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5801 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5802 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5803 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5804 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5805 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5806 @tex
5807 $\zeta(\overline{3},4)$
5808 @end tex
5809 and
5810 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5811 @tex
5812 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5813 @end tex
5814 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5815 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5816 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
5817 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5818 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5819 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5820 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5821
5822 @example
5823 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5824 S(2,2,x)
5825 > H(@{-3,2@},1);
5826 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5827 > S(3,1,1);
5828 1/90*Pi^4
5829 @end example
5830
5831 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5832 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5833 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5834 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5835 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5836 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5837
5838 @example
5839 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5840 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5841 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5842 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5843 @end example
5844
5845 Every function can be numerically evaluated for
5846 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
5847 global variable @code{Digits}:
5848
5849 @example
5850 > Digits=100;
5851 100
5852 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5853 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5854 @end example
5855
5856 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5857 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5858
5859 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5860 unevaluated, e.g.
5861 @tex
5862 $\zeta(1)$.
5863 @end tex
5864 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5865 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5866 cancellations of divergencies happen.
5867
5868 Useful publications:
5869
5870 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5871 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5872
5873 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5874 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5875
5876 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5877 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5878
5879 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
5880 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
5881
5882 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5883 @c    node-name, next, previous, up
5884 @section Complex Conjugation
5885 @c
5886 @cindex @code{conjugate()}
5887
5888 The method
5889
5890 @example
5891 ex ex::conjugate();
5892 @end example
5893
5894 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5895 conjugation gives the expected results:
5896
5897 @example
5898 @{
5899     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5900     symbol x("x");
5901     realsymbol y("y");
5902                                            
5903     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5904      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5905     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5906      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5907 @}
5908 @end example
5909
5910 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5911 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5912 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5913 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5914 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5915
5916 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5917 @c    node-name, next, previous, up
5918 @section Solving Linear Systems of Equations
5919 @cindex @code{lsolve()}
5920
5921 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5922 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5923 needs to be solved:
5924
5925 @example
5926 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
5927           unsigned options = solve_algo::automatic);
5928 @end example
5929
5930 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5931 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5932 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5933 @code{lst}).
5934
5935 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5936 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5937
5938 @example
5939 @{
5940     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5941     lst eqns, vars;
5942     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5943     vars = x, y;
5944     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5945      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5946 @end example
5947
5948 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5949 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5950 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5951 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5952 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5953 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5954 around that method.
5955
5956
5957 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5958 @c    node-name, next, previous, up
5959 @section Input and output of expressions
5960 @cindex I/O
5961
5962 @subsection Expression output
5963 @cindex printing
5964 @cindex output of expressions
5965
5966 Expressions can simply be written to any stream:
5967
5968 @example
5969 @{
5970     symbol x("x");
5971     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5972     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5973     // ...
5974 @end example
5975
5976 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5977 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5978 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5979 is printed as @samp{x^2}).
5980
5981 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5982 a set of stream manipulators;
5983
5984 @example
5985 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5986 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5987 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5988 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5989 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5990 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5991 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5992 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5993 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5994 @end example
5995
5996 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5997 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5998 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5999
6000 @cindex @code{dflt}
6001 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6002 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6003
6004 @example
6005     // ...
6006     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6007                               // now on
6008     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6009     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6010     cout << dflt;             // revert to default output format
6011     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6012     // ...
6013 @end example
6014
6015 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6016 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6017
6018 @example
6019     // ...
6020     ostringstream s;
6021     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6022     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6023     // ...
6024 @end example
6025
6026 @cindex @code{csrc}
6027 @cindex @code{csrc_float}
6028 @cindex @code{csrc_double}
6029 @cindex @code{csrc_cl_N}
6030 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6031 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6032 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6033 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6034 classes provided by the CLN library):
6035
6036 @example
6037     // ...
6038     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6039     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6040     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6041     // ...
6042 @end example
6043
6044 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6045 @code{x*x}):
6046
6047 @example
6048 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6049 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6050 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6051 @end example
6052
6053 @cindex @code{tree}
6054 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6055 expression for debugging purposes:
6056
6057 @example
6058     // ...
6059     cout << tree << e;
6060 @}
6061 @end example
6062
6063 produces
6064
6065 @example
6066 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6067     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6068         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6069         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6070     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6071     -----
6072     overall_coeff
6073     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6074     =====
6075 @end example
6076
6077 @cindex @code{latex}
6078 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6079 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6080 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6081 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6082 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6083 constructor.
6084
6085 For example, the code snippet
6086
6087 @example
6088 @{
6089     symbol x("x", "\\circ");
6090     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6091     cout << latex << e << endl;
6092 @}
6093 @end example
6094
6095 will print
6096
6097 @example
6098     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6099     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6100 @end example
6101
6102 @cindex @code{index_dimensions}
6103 @cindex @code{no_index_dimensions}
6104 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6105 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6106 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6107 formats:
6108
6109 @example
6110 @{
6111     symbol x("x"), y("y");
6112     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6113     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6114
6115     cout << e << endl;
6116      // prints 'x~mu*y~nu'
6117     cout << index_dimensions << e << endl;
6118      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6119     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6120      // prints 'x~mu*y~nu'
6121 @}
6122 @end example
6123
6124
6125 @cindex Tree traversal
6126 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6127 with other algebra systems or for producing code for different
6128 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6129
6130 @example
6131 static void my_print(const ex & e)
6132 @{
6133     if (is_a<function>(e))
6134         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6135     else
6136         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6137     cout << "(";
6138     size_t n = e.nops();
6139     if (n)
6140         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6141             my_print(e.op(i));
6142             if (i != n-1)
6143                 cout << ",";
6144         @}
6145     else
6146         cout << e;
6147     cout << ")";
6148 @}
6149
6150 int main()
6151 @{
6152     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6153     return 0;
6154 @}
6155 @end example
6156
6157 This will produce
6158
6159 @example
6160 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6161 symbol(y))),numeric(-2)))
6162 @end example
6163
6164 If you need an output format that makes it possible to accurately
6165 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6166 object factory, you should consider storing the expression in an
6167 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6168 See the section on archiving for more information.
6169
6170
6171 @subsection Expression input
6172 @cindex input of expressions
6173
6174 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6175 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6176 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6177 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6178 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6179
6180 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6181 list of symbols to be used:
6182
6183 @example
6184 @{
6185     symbol x("x"), y("y");
6186     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6187 @}
6188 @end example
6189
6190 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6191 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6192 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6193 the list it will throw an exception.
6194
6195 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6196
6197 @example
6198 #include <iostream>
6199 #include <string>
6200 #include <stdexcept>
6201 #include <ginac/ginac.h>
6202 using namespace std;
6203 using namespace GiNaC;
6204
6205 int main()
6206 @{
6207     symbol x("x");
6208     string s;
6209
6210     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6211     getline(cin, s);
6212
6213     try @{
6214         ex e(s, lst(x));
6215         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6216         cout << e.diff(x) << ".\n";
6217     @} catch (exception &p) @{
6218         cerr << p.what() << endl;
6219     @}
6220 @}
6221 @end example
6222
6223
6224 @subsection Archiving
6225 @cindex @code{archive} (class)
6226 @cindex archiving
6227
6228 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6229 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6230 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6231 expression a unique name:
6232
6233 @example
6234 #include <fstream>
6235 using namespace std;
6236 #include <ginac/ginac.h>
6237 using namespace GiNaC;
6238
6239 int main()
6240 @{
6241     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6242
6243     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6244     ex bar = foo + 1;
6245
6246     archive a;
6247     a.archive_ex(foo, "foo");
6248     a.archive_ex(bar, "the second one");
6249     // ...
6250 @end example
6251
6252 The archive can then be written to a file:
6253
6254 @example
6255     // ...
6256     ofstream out("foobar.gar");
6257     out << a;
6258     out.close();
6259     // ...
6260 @end example
6261
6262 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6263 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6264
6265 @cindex @command{viewgar}
6266 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6267 the contents of GiNaC archive files:
6268
6269 @example
6270 $ viewgar foobar.gar
6271 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6272 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6273 @end example
6274
6275 The point of writing archive files is of course that they can later be
6276 read in again:
6277
6278 @example
6279     // ...
6280     archive a2;
6281     ifstream in("foobar.gar");
6282     in >> a2;
6283     // ...
6284 @end example
6285
6286 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6287
6288 @example
6289     // ...
6290     lst syms;
6291     syms = x, y;
6292
6293     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6294     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6295
6296     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6297     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6298     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6299 @}
6300 @end example
6301
6302 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6303 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6304 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6305 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6306 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6307 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6308 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6309 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6310
6311 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6312 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6313 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6314 functions that let you access the stored properties:
6315
6316 @example
6317 static void my_print2(const archive_node & n)
6318 @{
6319     string class_name;
6320     n.find_string("class", class_name);
6321     cout << class_name << "(";
6322
6323     archive_node::propinfovector p;
6324     n.get_properties(p);
6325
6326     size_t num = p.size();
6327     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6328         const string &name = p[i].name;
6329         if (name == "class")
6330             continue;
6331         cout << name << "=";
6332
6333         unsigned count = p[i].count;
6334         if (count > 1)
6335             cout << "@{";
6336
6337         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6338             switch (p[i].type) @{
6339                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6340                     bool x;
6341                     n.find_bool(name, x, j);
6342                     cout << (x ? "true" : "false");
6343                     break;
6344                 @}
6345                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6346                     unsigned x;
6347                     n.find_unsigned(name, x, j);
6348                     cout << x;
6349                     break;
6350                 @}
6351                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6352                     string x;
6353                     n.find_string(name, x, j);
6354                     cout << '\"' << x << '\"';
6355                     break;
6356                 @}
6357                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6358                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6359                     my_print2(x);
6360                     break;
6361                 @}
6362             @}
6363
6364             if (j != count-1)
6365                 cout << ",";
6366         @}
6367
6368         if (count > 1)
6369             cout << "@}";
6370
6371         if (i != num-1)
6372             cout << ",";
6373     @}
6374
6375     cout << ")";
6376 @}
6377
6378 int main()
6379 @{
6380     ex e = pow(2, x) - y;
6381     archive ar(e, "e");
6382     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6383     return 0;
6384 @}
6385 @end example
6386
6387 This will produce:
6388
6389 @example
6390 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6391 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6392 overall_coeff=numeric(number="0"))
6393 @end example
6394
6395 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6396 class may change between GiNaC versions.
6397
6398
6399 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
6400 @c    node-name, next, previous, up
6401 @chapter Extending GiNaC
6402
6403 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6404 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6405 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6406 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6407 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6408 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6409
6410 @menu
6411 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6412 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6413 * Printing::                         Adding new output formats.
6414 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6415 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6416 @end menu
6417
6418
6419 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6420 @c    node-name, next, previous, up
6421 @section What doesn't belong into GiNaC
6422
6423 @cindex @command{ginsh}
6424 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6425 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6426 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6427 language.  There are no loops or conditional expressions in
6428 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6429 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6430 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6431 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6432 the future.
6433
6434 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6435 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6436 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6437 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6438 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6439 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6440 provided by CLN are much better suited.
6441
6442
6443 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6444 @c    node-name, next, previous, up
6445 @section Symbolic functions
6446
6447 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6448 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6449 two preprocessor macros:
6450
6451 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6452 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6453 @example
6454 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6455 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6456 @end example
6457
6458 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6459 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6460 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6461 @code{function} object that represents your function.
6462
6463 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6464 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6465 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6466 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6467 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6468 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6469 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6470 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6471
6472 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6473 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6474 done our best to avoid macros where we can.)
6475
6476 @subsection A minimal example
6477
6478 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6479 that is not further evaluated:
6480
6481 @example
6482 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6483
6484 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6485 @end example
6486
6487 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6488 in algebraic expressions:
6489
6490 @example
6491 @{
6492     ...
6493     symbol x("x");
6494     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6495     cout << e << endl;
6496      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6497     ...
6498 @}
6499 @end example
6500
6501 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6502 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6503 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6504 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6505
6506 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6507 example of how to make an "intelligent" function.
6508
6509 @subsection The cosine function
6510
6511 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6512
6513 @example
6514 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6515 @end example
6516
6517 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6518 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6519 this function in expressions.
6520
6521 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6522 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6523
6524 @example
6525 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6526                        evalf_func(cos_evalf).
6527                        derivative_func(cos_deriv).
6528                        latex_name("\\cos"));
6529 @end example
6530
6531 There are four options defined for the cosine function. One of them
6532 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6533 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6534 function are defined.
6535
6536 @cindex @code{hold()}
6537 @cindex evaluation
6538 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6539 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6540 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6541 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6542 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6543 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6544 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6545 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6546 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6547 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6548 somewhere.
6549
6550 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6551 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6552 what is going on):
6553
6554 @example
6555 static ex cos_eval(const ex & x)
6556 @{
6557     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6558         return 1;
6559     else if ("x is a multiple of Pi")
6560         return -1;
6561     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6562         return 0;
6563     // more rules...
6564
6565     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6566         return y;
6567     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6568         return sqrt(1-y^2);
6569     // more rules...
6570
6571     else
6572         return cos(x).hold();
6573 @}
6574 @end example
6575
6576 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6577
6578 @example
6579 @{
6580     ...
6581     e = cos(Pi);
6582      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6583      // the actual expression
6584     cout << e << endl;
6585      // prints '-1'
6586     ...
6587 @}
6588 @end example
6589
6590 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6591 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6592 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6593 with @code{.hold()}.
6594
6595 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6596 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6597 different function:
6598
6599 @example
6600 static ex cos_evalf(const ex & x)
6601 @{
6602     if (is_a<numeric>(x))
6603         return cos(ex_to<numeric>(x));
6604     else
6605         return cos(x).hold();
6606 @}
6607 @end example
6608
6609 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6610 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6611 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6612 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6613 function would require it in this place.
6614
6615 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6616 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6617 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6618 @code{ex::diff}):
6619
6620 @example
6621 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6622 @{
6623     return -sin(x);
6624 @}
6625 @end example
6626
6627 @cindex product rule
6628 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6629 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6630 case the function has more than one parameter, and its main application
6631 is for correct handling of the chain rule.
6632
6633 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6634 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6635 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6636 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6637
6638 @example
6639 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6640                      int order, unsigned options)
6641 @{
6642     // Find the actual expansion point
6643     const ex x_pt = x.subs(rel);
6644
6645     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6646         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6647
6648     // On a pole, expand sin()/cos()
6649     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6650 @}
6651 @end example
6652
6653 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6654 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6655
6656 @subsection Function options
6657
6658 GiNaC functions understand several more options which are always
6659 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6660 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6661 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6662 functions without any special options.
6663
6664 @example
6665 eval_func(<C++ function>)
6666 evalf_func(<C++ function>)
6667 derivative_func(<C++ function>)
6668 series_func(<C++ function>)
6669 conjugate_func(<C++ function>)
6670 @end example
6671
6672 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6673 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6674 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6675 @code{diff()} and @code{series()}.
6676
6677 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6678 automatic evaluation is desired or possible.
6679
6680 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6681 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6682 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6683 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6684 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6685 suitable transformation.
6686
6687 @example
6688 latex_name(const string & n)
6689 @end example
6690
6691 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6692 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6693
6694 @example
6695 do_not_evalf_params()
6696 @end example
6697
6698 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6699 function before calling the @code{evalf_func()}.
6700
6701 @example
6702 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6703 @end example
6704
6705 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6706 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6707 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6708 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6709 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6710 commutation properties of their first argument.
6711
6712 @example
6713 set_symmetry(const symmetry & s)
6714 @end example
6715
6716 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6717 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6718 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6719 symmetric functions into a canonical order.
6720
6721 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6722 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6723 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6724 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6725 with the
6726
6727 @example
6728 print_func<C>(<C++ function>)
6729 @end example
6730
6731 option which is explained in the next section.
6732
6733 @subsection Functions with a variable number of arguments
6734
6735 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6736 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6737 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6738 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6739 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6740
6741 It is also possible to define functions that accept a different number of
6742 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6743 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6744 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6745 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6746 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6747 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6748 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6749 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6750
6751
6752 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6753 @c    node-name, next, previous, up
6754 @section GiNaC's expression output system
6755
6756 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6757 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6758 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6759 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6760 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6761 functions.
6762
6763 @cindex @code{print_context} (class)
6764 @cindex @code{print_dflt} (class)
6765 @cindex @code{print_latex} (class)
6766 @cindex @code{print_tree} (class)
6767 @cindex @code{print_csrc} (class)
6768 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6769 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6770 header file:
6771
6772 @table @code
6773 @item print_dflt
6774 the default output format
6775 @item print_latex
6776 output in LaTeX mathematical mode
6777 @item print_tree
6778 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6779 @item print_csrc
6780 the base class for C source output
6781 @item print_csrc_float
6782 C source output using the @code{float} type
6783 @item print_csrc_double
6784 C source output using the @code{double} type
6785 @item print_csrc_cl_N
6786 C source output using CLN types
6787 @end table
6788
6789 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6790
6791 @example
6792 class print_context
6793 @{
6794     ...
6795 public:
6796     std::ostream & s;
6797     unsigned options;
6798 @};
6799 @end example
6800
6801 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6802 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6803 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6804 to print the index dimension which is normally hidden.
6805
6806 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6807 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6808 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6809 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6810
6811 @cindex @code{print()}
6812 @example
6813 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6814 @end example
6815
6816 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6817 top-level algebraic object contained in the expression.
6818
6819 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6820 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6821 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6822 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6823 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6824 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6825 (single) virtual function dispatch.
6826
6827 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6828 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6829 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6830 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6831 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6832 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6833 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6834 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6835 object's class name enclosed in square brackets).
6836
6837 You can think of the print methods of all the different classes and output
6838 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6839 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6840 classes.
6841
6842 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6843 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6844 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6845 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6846 methods at run-time).
6847
6848 @subsection Print methods for classes
6849
6850 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6851 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6852 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6853 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6854 can also be used to override existing methods dynamically.
6855
6856 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6857 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6858 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6859 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6860 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6861 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6862 the class is the one being implemented by
6863 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6864
6865 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6866 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6867 @code{unsigned}.
6868
6869 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6870 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6871 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6872 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6873 private and protected members of @code{T}.
6874
6875 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6876 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6877 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6878 purposes if you write your own output formats.
6879
6880 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6881 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6882 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6883 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6884
6885 @example
6886 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6887                              const print_latex & c,
6888                              unsigned level)
6889 @{
6890     // get the precedence of the 'power' class
6891     unsigned power_prec = p.precedence();
6892
6893     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6894     // we need parentheses around the power
6895     if (level >= power_prec)
6896         c.s << '(';
6897
6898     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6899     // separated by an uparrow
6900     c.s << '@{';
6901     p.op(0).print(c, power_prec);
6902     c.s << "@}\\uparrow@{";
6903     p.op(1).print(c, power_prec);
6904     c.s << '@}';
6905
6906     // don't forget the closing parenthesis
6907     if (level >= power_prec)
6908         c.s << ')';
6909 @}
6910                                                                                 
6911 int main()
6912 @{
6913     // a sample expression
6914     symbol x("x"), y("y");
6915     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6916
6917     // switch to LaTeX mode
6918     cout << latex;
6919
6920     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6921     cout << e << endl;
6922
6923     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6924     // our own one
6925     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6926
6927     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
6928     //              \uparrow@{2@}@}"
6929     cout << e << endl;
6930 @}
6931 @end example
6932
6933 Some notes:
6934
6935 @itemize
6936
6937 @item
6938 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6939 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6940
6941 @item
6942 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6943 @code{power} objects for the purpose of printing.
6944
6945 @item
6946 The output of products including negative powers as fractions is also
6947 controlled by the @code{mul} class.
6948
6949 @item
6950 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6951 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6952
6953 @end itemize
6954
6955 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6956 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6957 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6958 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6959 sources, find the method that is installed at startup
6960 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6961 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6962
6963 @subsection Print methods for functions
6964
6965 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6966 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6967 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6968 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6969 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6970
6971 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6972
6973 @example
6974 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6975 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6976                                                                                 
6977 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6978 @{
6979     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6980 @}
6981                                                                                 
6982 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6983 @{
6984     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6985 @}
6986                                                                                 
6987 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6988                        evalf_func(abs_evalf).
6989                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6990                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6991                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6992 @end example
6993
6994 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6995 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6996
6997 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6998
6999 @subsection Adding new output formats
7000
7001 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7002 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7003 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7004 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7005 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7006 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7007 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7008 options value.
7009
7010 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7011
7012 @example
7013 class print_myformat : public print_dflt
7014 @{
7015     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7016 public:
7017     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7018      : print_dflt(os, opt) @{@}
7019 @};
7020
7021 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7022
7023 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7024 @end example
7025
7026 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7027 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7028 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7029 format are implemented as print methods, as described above.
7030
7031 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7032 exactly like GiNaC's default output format:
7033
7034 @example
7035 @{
7036     symbol x("x");
7037     ex e = pow(x, 2) + 1;
7038
7039     // this prints "1+x^2"
7040     cout << e << endl;
7041     
7042     // this also prints "1+x^2"
7043     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7044
7045     ...
7046 @}
7047 @end example
7048
7049 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7050 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7051
7052 @example
7053 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7054 // example above for explanations.
7055 void print_power_as_myformat(const power & p,
7056                              const print_myformat & c,
7057                              unsigned level)
7058 @{
7059     unsigned power_prec = p.precedence();
7060     if (level >= power_prec)
7061         c.s << '(';
7062     p.op(0).print(c, power_prec);
7063     c.s << "**";
7064     p.op(1).print(c, power_prec);
7065     if (level >= power_prec)
7066         c.s << ')';
7067 @}
7068
7069 @{
7070     ...
7071     // install a new print method for power objects
7072     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7073
7074     // now this prints "1+x**2"
7075     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7076
7077     // but the default format is still "1+x^2"
7078     cout << e << endl;
7079 @}
7080 @end example
7081
7082
7083 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7084 @c    node-name, next, previous, up
7085 @section Structures
7086
7087 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7088 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7089 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7090 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7091 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7092
7093 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7094 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7095 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7096 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7097 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7098 read both sections because many common concepts and member functions are
7099 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7100 is most suited to your needs.
7101
7102 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7103 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7104 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7105
7106 @subsection Example: scalar products
7107
7108 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7109 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7110 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7111 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7112 product in a C++ @code{struct}:
7113
7114 @example
7115 #include <iostream>
7116 using namespace std;
7117
7118 #include <ginac/ginac.h>
7119 using namespace GiNaC;
7120
7121 struct sprod_s @{
7122     ex left, right;
7123
7124     sprod_s() @{@}
7125     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7126 @};
7127 @end example
7128
7129 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7130 data structure, we need only one line:
7131
7132 @example
7133 typedef structure<sprod_s> sprod;
7134 @end example
7135
7136 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7137 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7138 expressions like any other GiNaC class:
7139
7140 @example
7141 ...
7142     symbol a("a"), b("b");
7143     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7144 ...
7145 @end example
7146
7147 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7148 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7149 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7150 constructed from an @code{sprod_s} object.
7151
7152 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7153 you could define a little wrapper function like this:
7154
7155 @example
7156 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7157 @{
7158     return sprod(sprod_s(left, right));
7159 @}
7160 @end example
7161
7162 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7163 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7164 @code{get_struct()}:
7165
7166 @example
7167 ...
7168     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7169      // -> a
7170     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7171      // -> b
7172 ...
7173 @end example
7174
7175 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7176
7177 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7178 that deal with scalar products, for example:
7179
7180 @example
7181 ex swap_sprod(ex p)
7182 @{
7183     if (is_a<sprod>(p)) @{
7184         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7185         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7186     @} else
7187         return p;
7188 @}
7189
7190 ...
7191     f = swap_sprod(e);
7192      // f is now <b|a>
7193 ...
7194 @end example
7195
7196 @subsection Structure output
7197
7198 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7199 desired, most notably proper output:
7200
7201 @example
7202 ...
7203     cout << e << endl;
7204      // -> [structure object]
7205 ...
7206 @end example
7207
7208 By default, any structure types you define will be printed as
7209 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7210 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7211 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7212 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7213 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7214 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7215
7216 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7217 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7218
7219 @example
7220 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7221 @{
7222     // tree debug output handled by superclass
7223     if (is_a<print_tree>(c))
7224         inherited::print(c, level);
7225
7226     // get the contained sprod_s object
7227     const sprod_s & sp = get_struct();
7228
7229     // print_context::s is a reference to an ostream
7230     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7231 @}
7232 @end example
7233
7234 Now we can print expressions containing scalar products:
7235
7236 @example
7237 ...
7238     cout << e << endl;
7239      // -> <a|b>
7240     cout << swap_sprod(e) << endl;
7241      // -> <b|a>
7242 ...
7243 @end example
7244
7245 @subsection Comparing structures
7246
7247 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7248 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7249 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7250 and undesired behavior:
7251
7252 @example
7253 ...
7254     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7255      // -> 0
7256     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7257      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7258 ...
7259 @end example
7260
7261 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7262 for objects of type @code{sprod_s}:
7263
7264 @example
7265 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7266 @{
7267     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7268 @}
7269
7270 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7271 @{
7272     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7273            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7274 @}
7275 @end example
7276
7277 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7278 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7279 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7280 in the implementation of these operators because they would construct
7281 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7282 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7283 decide which one is algebraically 'less').
7284
7285 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7286 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7287
7288 @example
7289 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7290 @end example
7291
7292 @code{sprod} objects then behave as expected:
7293
7294 @example
7295 ...
7296     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7297      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7298     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7299      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7300     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7301      // -> 0
7302     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7303      // -> 2*<a|b>
7304 ...
7305 @end example
7306
7307 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7308 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7309 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7310 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7311 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7312 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7313
7314 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7315 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7316 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7317 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7318 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7319 undefined value) that the @code{T} class might have.
7320
7321 @subsection Subexpressions
7322
7323 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7324 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7325 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7326
7327 @example
7328 size_t sprod::nops() const
7329 @{
7330     return 2;
7331 @}
7332
7333 ex sprod::op(size_t i) const
7334 @{
7335     switch (i) @{
7336     case 0:
7337         return get_struct().left;
7338     case 1:
7339         return get_struct().right;
7340     default:
7341         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7342     @}
7343 @}
7344 @end example
7345
7346 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7347 @code{sprod} has two other nice side effects:
7348
7349 @itemize @bullet
7350 @item
7351 @code{has()} works as expected
7352 @item
7353 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7354 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7355 @end itemize
7356
7357 @cindex @code{let_op()}
7358 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7359 allows replacing subexpressions:
7360
7361 @example
7362 ex & sprod::let_op(size_t i)
7363 @{
7364     // every non-const member function must call this
7365     ensure_if_modifiable();
7366
7367     switch (i) @{
7368     case 0:
7369         return get_struct().left;
7370     case 1:
7371         return get_struct().right;
7372     default:
7373         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7374     @}
7375 @}
7376 @end example
7377
7378 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7379 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7380 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7381 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7382
7383 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7384 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7385 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7386 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7387 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7388 This is left as an exercise for the reader.
7389
7390 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7391 you can override by specialization to customize the behavior of your
7392 structures. You are referred to the next section for a description of
7393 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7394 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7395 @code{structure<T>} template: archiving.
7396
7397 @subsection Archiving structures
7398
7399 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7400 should first read the next section and then come back here. You're back?
7401 Good.
7402
7403 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7404 specializations for the @code{archive()} member function and the
7405 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7406 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7407 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7408 the class of an object is stored as a string, the class name.
7409
7410 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7411 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7412 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7413 need to provide a different name for each by specializing the
7414 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7415 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7416
7417 @example
7418 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7419
7420 void sprod::archive(archive_node & n) const
7421 @{
7422     inherited::archive(n);
7423     n.add_ex("left", get_struct().left);
7424     n.add_ex("right", get_struct().right);
7425 @}
7426
7427 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7428 @{
7429     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7430     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7431 @}
7432 @end example
7433
7434 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7435 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7436 @code{sprod::unarchive()} function.
7437
7438
7439 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7440 @c    node-name, next, previous, up
7441 @section Adding classes
7442
7443 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7444 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7445 severe of which being that you can't add any new member functions to
7446 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7447 from scratch.
7448
7449 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7450 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7451 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7452 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7453 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7454 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7455 representing tensor products is more involved but this section should give
7456 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7457 classes if you want to implement something more complicated.
7458
7459 @subsection GiNaC's run-time type information system
7460
7461 @cindex hierarchy of classes
7462 @cindex RTTI
7463 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7464 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7465 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7466 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7467 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7468 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7469 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7470 system that provides this kind of information is called a run-time type
7471 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7472 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7473 implements its own, simpler RTTI.
7474
7475 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7476
7477 @itemize @bullet
7478
7479 @item
7480 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7481 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7482 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7483 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7484
7485 @item
7486 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7487 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7488 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7489 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7490 @file{registrar.h} header file.
7491
7492 @end itemize
7493
7494 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7495 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7496 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7497 macros.
7498
7499 @subsection A minimalistic example
7500
7501 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7502 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7503 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7504 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7505 for your own classes.
7506
7507 The code snippets given here assume that you have included some header files
7508 as follows:
7509
7510 @example
7511 #include <iostream>
7512 #include <string>   
7513 #include <stdexcept>
7514 using namespace std;
7515
7516 #include <ginac/ginac.h>
7517 using namespace GiNaC;
7518 @end example
7519
7520 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7521 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7522 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7523 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7524 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7525 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7526
7527 @example
7528 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7529 @end example
7530
7531 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7532 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7533 object from a C or C++ string:
7534
7535 @example
7536 class mystring : public basic
7537 @{
7538     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7539   
7540 public:
7541     mystring(const string &s);
7542     mystring(const char *s);
7543
7544 private:
7545     string str;
7546 @};
7547
7548 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7549 @end example
7550
7551 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7552 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7553 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7554 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7555 the first line after the opening brace of the class definition. The
7556 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7557 source (at global scope, of course, not inside a function).
7558
7559 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7560 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7561 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7562 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7563 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7564 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7565 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7566 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7567
7568 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7569 class:
7570
7571 @itemize
7572
7573 @item
7574 @code{mystring()}, the default constructor.
7575
7576 @item
7577 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7578 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7579 @code{archive_node}.
7580
7581 @item
7582 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7583 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7584 found in an @code{archive_node}.
7585
7586 @item
7587 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7588 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7589 constructor.
7590
7591 @item
7592 @cindex @code{compare_same_type()}
7593 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7594 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7595 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7596 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7597 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7598 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7599 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7600 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7601 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7602 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7603 defined.
7604
7605 @item
7606 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7607 which are the two constructors we declared.
7608
7609 @end itemize
7610
7611 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7612
7613 @example
7614 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7615 @end example
7616
7617 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7618 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7619 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7620 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7621 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7622 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7623 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7624 to the right value manually.
7625
7626 In the default constructor you should set all other member variables to
7627 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7628 member gets set to an empty string automatically).
7629
7630 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7631 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7632 is really simple.  First, the archiving function:
7633
7634 @example
7635 void mystring::archive(archive_node &n) const
7636 @{
7637     inherited::archive(n);
7638     n.add_string("string", str);
7639 @}
7640 @end example
7641
7642 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7643 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7644 deem necessary for representing the object into the passed
7645 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7646 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7647 file.
7648
7649 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7650 function:
7651
7652 @example
7653 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7654 @{
7655     n.find_string("string", str);
7656 @}
7657 @end example
7658
7659 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7660 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7661 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7662 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7663
7664 Finally, the unarchiving function:
7665
7666 @example
7667 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7668 @{
7669     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7670 @}
7671 @end example
7672
7673 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7674 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7675 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7676 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7677 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7678 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7679 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7680 automatically once it is no longer referenced.
7681
7682 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7683 the string members:
7684
7685 @example
7686 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7687 @{
7688     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7689     int cmpval = str.compare(o.str);
7690     if (cmpval == 0)
7691         return 0;
7692     else if (cmpval < 0)
7693         return -1;
7694     else
7695         return 1;
7696 @}
7697 @end example
7698
7699 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7700 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7701 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7702 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7703 all relevant member variables.
7704
7705 Now the only thing missing is our two new constructors:
7706
7707 @example
7708 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7709 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7710 @end example
7711
7712 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7713 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7714
7715 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7716 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7717
7718 @example
7719 ex e = mystring("Hello, world!");
7720 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7721  // -> 1 (true)
7722
7723 cout << e.bp->class_name() << endl;
7724  // -> mystring
7725 @end example
7726
7727 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7728
7729 @example
7730 cout << e << endl;
7731  // -> [mystring object]
7732 @end example
7733
7734 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7735 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7736 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7737 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7738 surrounded by double quotes:
7739
7740 @example
7741 class mystring : public basic
7742 @{
7743     ...
7744 protected:
7745     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7746     ...
7747 @};
7748
7749 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7750 @{
7751     // print_context::s is a reference to an ostream
7752     c.s << '\"' << str << '\"';
7753 @}
7754 @end example
7755
7756 The @code{level} argument is only required for container classes to
7757 correctly parenthesize the output.
7758
7759 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7760 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7761 replace the line
7762
7763 @example
7764 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7765 @end example
7766
7767 with
7768
7769 @example
7770 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7771   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7772 @end example
7773
7774 Let's try again to print the expression:
7775
7776 @example
7777 cout << e << endl;
7778  // -> "Hello, world!"
7779 @end example
7780
7781 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7782 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7783 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7784 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7785 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7786 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7787 way expression output is implemented in GiNaC.
7788
7789 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7790
7791 @example
7792 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7793 cout << e << endl;
7794  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7795 @end example
7796
7797 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7798
7799 @example
7800 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7801 cout << e << endl;
7802  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7803 @end example
7804
7805 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7806 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7807 for your objects.
7808
7809 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7810
7811 @example
7812 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7813 cout << e << endl;
7814  // -> "Wow"^2
7815
7816 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7817 cout << e.expand() << endl;
7818  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7819 @end example
7820
7821 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7822 concatenation. You would have to implement this yourself.
7823
7824 @subsection Automatic evaluation
7825
7826 @cindex evaluation
7827 @cindex @code{eval()}
7828 @cindex @code{hold()}
7829 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7830 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7831 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7832 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7833 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7834 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7835
7836 @example
7837 class mystring : public basic
7838 @{
7839     ...
7840 public:
7841     ex eval(int level = 0) const;
7842     ...
7843 @};
7844
7845 ex mystring::eval(int level) const
7846 @{
7847     string new_str;
7848     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7849         char c = str[i];
7850         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7851             new_str += tolower(c);
7852         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7853             new_str += c;
7854     @}
7855
7856     if (new_str.length() == 0)
7857         return 0;
7858     else
7859         return mystring(new_str).hold();
7860 @}
7861 @end example
7862
7863 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7864 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7865 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7866 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7867 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7868 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7869 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7870 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7871
7872 Let's confirm that it works:
7873
7874 @example
7875 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7876 cout << e << endl;
7877  // -> "helloworld"
7878
7879 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7880 cout << e << endl;
7881  // -> 3*"wow"
7882 @end example
7883
7884 @subsection Optional member functions
7885
7886 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7887 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7888 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7889
7890 @cindex @code{calchash()}
7891 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7892 @example
7893 unsigned calchash() const;
7894 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7895 @end example
7896
7897 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7898 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7899 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7900 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7901 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7902 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7903
7904 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7905 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7906 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7907 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7908
7909 @subsection Other member functions
7910
7911 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7912 might want to provide:
7913
7914 @example
7915 bool info(unsigned inf) const;
7916 ex evalf(int level = 0) const;
7917 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7918 ex derivative(const symbol & s) const;
7919 @end example
7920
7921 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7922 previous section) you will probably want to override
7923
7924 @cindex @code{let_op()}
7925 @example
7926 size_t nops() cont;
7927 ex op(size_t i) const;
7928 ex & let_op(size_t i);
7929 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7930 ex map(map_function & f) const;
7931 @end example
7932
7933 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7934 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7935 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7936
7937 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7938 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7939 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7940 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7941 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7942 should become a need.
7943
7944 That's it. May the source be with you!
7945
7946
7947 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7948 @c    node-name, next, previous, up
7949 @chapter A Comparison With Other CAS
7950 @cindex advocacy
7951
7952 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7953 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7954 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7955 disadvantages over these systems.
7956
7957 @menu
7958 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7959 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7960 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7961 @end menu
7962
7963 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7964 @c    node-name, next, previous, up
7965 @section Advantages
7966
7967 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7968 Algebra Systems, like 
7969
7970 @itemize @bullet
7971
7972 @item
7973 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7974 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7975 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7976 in common C++, which is standardized.
7977
7978 @cindex STL
7979 @item
7980 structured data types: you can build up structured data types using
7981 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7982 using unnamed lists of lists of lists.
7983
7984 @item
7985 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7986 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7987 nice for novice programmers, but dangerous.
7988     
7989 @item
7990 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7991 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7992 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7993
7994 @item
7995 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7996 separating interface and implementation.
7997
7998 @item
7999 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8000 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8001 C++-compilers for free, too.
8002     
8003 @item
8004 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8005 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8006 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8007 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8008 fix bugs in a traditional system.
8009
8010 @item
8011 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8012 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8013 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8014 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8015 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8016 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8017 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8018 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8019 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8020 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8021 FTP-site.
8022
8023 @item
8024 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8025 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8026 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8027 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8028 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8029 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8030 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8031 system (i.e. @emph{Yacas}).
8032
8033 @item
8034 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8035 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8036 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8037 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8038 speed with other CAS.
8039
8040 @end itemize
8041
8042
8043 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
8044 @c    node-name, next, previous, up
8045 @section Disadvantages
8046
8047 Of course it also has some disadvantages:
8048
8049 @itemize @bullet
8050
8051 @item
8052 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8053 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8054 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8055 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8056 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8057 not planned for the near future).
8058
8059 @item
8060 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8061 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8062 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8063 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8064 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8065 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8066 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8067 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8068 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8069 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8070 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8071 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8072 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8073 yet ANSI compliant, support all needed features.
8074     
8075 @end itemize
8076
8077
8078 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
8079 @c    node-name, next, previous, up
8080 @section Why C++?
8081
8082 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8083 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8084 possible), separation between interface and implementation is not
8085 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8086 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8087 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8088 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8089 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8090 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8091 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8092 any other programming language.
8093
8094
8095 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8096 @c    node-name, next, previous, up
8097 @appendix Internal Structures
8098
8099 @menu
8100 * Expressions are reference counted::
8101 * Internal representation of products and sums::
8102 @end menu
8103
8104 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
8105 @c    node-name, next, previous, up
8106 @appendixsection Expressions are reference counted
8107
8108 @cindex reference counting
8109 @cindex copy-on-write
8110 @cindex garbage collection
8111 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8112 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8113 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8114 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8115 skip the rest of this passage.
8116
8117 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8118 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8119 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8120 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8121 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8122 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8123 of code:
8124
8125 @example
8126 #include <iostream>
8127 #include <ginac/ginac.h>
8128 using namespace std;
8129 using namespace GiNaC;
8130
8131 int main()
8132 @{
8133     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8134     ex e1, e2;
8135
8136     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8137     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8138     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8139     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8140     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8141 @}
8142 @end example
8143
8144 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8145 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8146 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8147 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8148 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8149 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8150 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8151 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8152 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8153 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8154 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8155 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8156 can be:
8157
8158 @example
8159 @{
8160     symbol x("x"), y("y");
8161
8162     ex e1 = x + 3*y;
8163     ex e2 = pow(e1, 3);
8164     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8165     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8166          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8167          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8168 @}
8169 @end example
8170
8171 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8172 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8173 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8174 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8175 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8176 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8177 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8178 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8179 @code{3*e1^2}.
8180
8181 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8182 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8183 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8184 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8185 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8186 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8187 semantics, we recommend you have a look at the
8188 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8189 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8190 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8191
8192
8193 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
8194 @c    node-name, next, previous, up
8195 @appendixsection Internal representation of products and sums
8196
8197 @cindex representation
8198 @cindex @code{add}
8199 @cindex @code{mul}
8200 @cindex @code{power}
8201 Although it should be completely transparent for the user of
8202 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8203 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8204 unexpanded symbolic expression 
8205 @tex
8206 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8207 @end tex
8208 @ifnottex
8209 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8210 @end ifnottex
8211 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8212 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8213 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8214 fashion:
8215
8216 @image{repnaive}
8217
8218 @cindex pair-wise representation
8219 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8220 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8221 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8222 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8223 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8224 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8225 becomes much more flat:
8226
8227 @image{reppair}
8228
8229 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8230 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8231 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8232 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8233 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8234 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8235 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8236 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8237 representation, however, since they are still carrying a trivial
8238 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8239 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8240 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8241 representation for
8242 @tex
8243 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8244 @end tex
8245 @ifnottex
8246 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8247 @end ifnottex
8248
8249 @image{repreal}
8250
8251 @cindex radical
8252 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8253 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8254 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8255 same abstract class: the data representation is the same, only the
8256 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8257 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8258 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8259
8260
8261 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
8262 @c    node-name, next, previous, up
8263 @appendix Package Tools
8264
8265 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8266 setting the correct command line options for the compiler and linker
8267 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
8268
8269 @menu
8270 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
8271 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
8272 @end menu
8273
8274
8275 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
8276 @c    node-name, next, previous, up
8277 @section @command{ginac-config}
8278 @cindex ginac-config
8279
8280 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
8281 the compiler and linker command line options required to compile and
8282 link a program with the GiNaC library.
8283
8284 @command{ginac-config} takes the following flags:
8285
8286 @table @samp
8287 @item --version
8288 Prints out the version of GiNaC installed.
8289 @item --cppflags
8290 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
8291 @item --libs
8292 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
8293 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
8294 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
8295 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
8296 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
8297 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
8298 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
8299 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
8300 @end table
8301
8302 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
8303 script, as described below. It, however, can also be used directly from
8304 the command line using backquotes to compile a simple program. For
8305 example:
8306
8307 @example
8308 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
8309 @end example
8310
8311 This command line might expand to (for example):
8312
8313 @example
8314 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
8315   -lginac -lcln -lstdc++
8316 @end example
8317
8318 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
8319 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8320
8321
8322 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
8323 @c    node-name, next, previous, up
8324 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
8325 @cindex AM_PATH_GINAC
8326
8327 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
8328 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
8329
8330 @example
8331 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND}
8332               [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
8333 @end example
8334
8335 This macro:
8336
8337 @itemize @bullet
8338
8339 @item
8340 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
8341 either found in the user's path, or from the environment variable
8342 @env{GINACLIB_CONFIG}.
8343
8344 @item
8345 Tests the installed libraries to make sure that their version
8346 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
8347 if not specified)
8348
8349 @item
8350 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
8351 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
8352 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
8353 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8354 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8355
8356 @item
8357 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
8358 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8359
8360 @end itemize
8361
8362 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
8363 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
8364 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
8365 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
8366 aclocal the @samp{-I} option when running it.
8367
8368 @menu
8369 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
8370 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
8371 @end menu
8372
8373
8374 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
8375 @c    node-name, next, previous, up
8376 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
8377
8378 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
8379 the configure script.
8380
8381 Notes:
8382
8383 @itemize @bullet
8384
8385 @item
8386 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8387 to be found by your system's dynamic linker.
8388   
8389 This is generally done by
8390
8391 @display
8392 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
8393 @end display
8394
8395 or by
8396    
8397 @display
8398 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
8399 @end display
8400
8401 or, as a last resort, 
8402  
8403 @display
8404 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
8405 running configure, for instance:
8406
8407 @example
8408 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
8409 @end example
8410 @end display
8411
8412 @item
8413 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
8414 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
8415 name of the executable
8416
8417 @item
8418 If you move the GiNaC package from its installed location,
8419 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8420 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8421
8422 @end itemize
8423
8424 Advanced note:
8425
8426 @itemize @bullet
8427 @item
8428 configure flags
8429   
8430 @example
8431 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8432 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8433 @end example
8434
8435 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8436 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8437 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8438 @end itemize
8439
8440
8441 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8442 @c    node-name, next, previous, up
8443 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8444
8445 The following shows how to build a simple package using automake
8446 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8447
8448 @example
8449 #include <iostream>
8450 #include <ginac/ginac.h>
8451
8452 int main()
8453 @{
8454     GiNaC::symbol x("x");
8455     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8456     std::cout << "Derivative of " << a 
8457               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8458     return 0;
8459 @}
8460 @end example
8461
8462 You should first read the introductory portions of the automake
8463 Manual, if you are not already familiar with it.
8464
8465 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8466 configure script:
8467
8468 @example
8469 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8470 AC_INIT(simple.cpp)
8471 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8472
8473 AC_PROG_CXX
8474 AC_PROG_INSTALL
8475 AC_LANG_CPLUSPLUS
8476
8477 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8478   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8479   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8480 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8481
8482 AC_OUTPUT(Makefile)
8483 @end example
8484
8485 The only command in this which is not standard for automake
8486 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8487
8488 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8489 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8490 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8491 the error message `need to have GiNaC installed'
8492
8493 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8494
8495 @example
8496 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8497 bin_PROGRAMS = simple
8498 simple_SOURCES = simple.cpp
8499 @end example
8500
8501 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8502 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8503 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8504 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8505 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8506 adding the lines:
8507
8508 @example
8509 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8510 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8511 @end example
8512
8513 to the @file{Makefile.am}.
8514
8515 To try this example out, create a new directory and add the three
8516 files above to it.
8517
8518 Now execute the following commands:
8519
8520 @example
8521 $ automake --add-missing
8522 $ aclocal
8523 $ autoconf
8524 @end example
8525
8526 You now have a package that can be built in the normal fashion
8527
8528 @example
8529 $ ./configure
8530 $ make
8531 $ make install
8532 @end example
8533
8534
8535 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8536 @c    node-name, next, previous, up
8537 @appendix Bibliography
8538
8539 @itemize @minus{}
8540
8541 @item
8542 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8543
8544 @item
8545 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8546
8547 @item
8548 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8549
8550 @item
8551 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8552
8553 @item
8554 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8555 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8556
8557 @item
8558 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8559 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8560 Academic Press, London
8561
8562 @item
8563 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8564 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8565
8566 @item
8567 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8568 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8569
8570 @item
8571 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8572 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8573
8574 @item
8575 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8576
8577 @end itemize
8578
8579
8580 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8581 @c    node-name, next, previous, up
8582 @unnumbered Concept Index
8583
8584 @printindex cp
8585
8586 @bye