]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
50e95ae9ce78d277541f5fb95b05fa55cb554414
[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) 1999-2004 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{} 1999-2004 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{} 1999-2004 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
154 MA 02111-1307, USA.
155
156
157 @node A Tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A Tour of GiNaC, A Tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package Tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A Tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
376 polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > collect(a+b,x);
386 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
387 > collect(a+b,y);
388 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
389 > normal(a/b);
390 3*y^2+x^2
391 @end example
392
393 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
394 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
395 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
396 order):
397
398 @cindex Zeta function
399 @example
400 > diff(tan(x),x);
401 tan(x)^2+1
402 > series(sin(x),x==0,4);
403 x-1/6*x^3+Order(x^4)
404 > series(1/tan(x),x==0,4);
405 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
406 > series(tgamma(x),x==0,3);
407 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
408 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
409 > evalf(%);
410 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
411 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
412 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
413 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
414 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
415 @end example
416
417 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
418 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
419
420 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
421 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
422 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
423 metric system is now easy:
424
425 @example
426 > in=.0254*m;
427 0.0254*m
428 > lb=.45359237*kg;
429 0.45359237*kg
430 > 200*lb/in^2;
431 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
432 @end example
433
434
435 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
436 @c    node-name, next, previous, up
437 @chapter Installation
438
439 @cindex CLN
440 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
441 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
442 installation.
443
444 @menu
445 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
446 * Configuration::                How to configure GiNaC.
447 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
448 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
449 @end menu
450
451
452 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
453 @c    node-name, next, previous, up
454 @section Prerequisites
455
456 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
457 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
458 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
459 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
460 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
461 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine.  Perl is needed by the built
462 process as well, since some of the source files are automatically
463 generated by Perl scripts.  Last but not least, Bruno Haible's library
464 CLN is extensively used and needs to be installed on your system.
465 Please get it either from @uref{ftp://ftp.santafe.edu/pub/gnu/}, from
466 @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/, GiNaC's FTP site} or
467 from @uref{ftp://ftp.ilog.fr/pub/Users/haible/gnu/, Bruno Haible's FTP
468 site} (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
469 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
470 it will refuse to continue.
471
472
473 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
474 @c    node-name, next, previous, up
475 @section Configuration
476 @cindex configuration
477 @cindex Autoconf
478
479 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
480 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
481 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
482 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
483 prompts, all customization must be done either via command line
484 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
485 the complete set of which can be listed by calling it with the
486 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
487 described in what follows:
488
489 @itemize @bullet
490
491 @item
492 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
493 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
494 when developing because it considerably speeds up compilation.
495
496 @item
497 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
498 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
499 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
500 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
501 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
502
503 @item
504 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
505 the library installed in some other directory than
506 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
507
508 @item
509 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
510 to have the header files installed in some other directory than
511 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
512 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
513 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
514 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
515 keep the header files separated from others.  This avoids some
516 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
517 to be considered A Good Thing (tm).
518
519 @item
520 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
521 want to have the documentation installed in some other directory than
522 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
523
524 @end itemize
525
526 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
527 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
528 override the default in your path.  (The @command{configure} script
529 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
530 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
531 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
532 environment variable, like optimization, debugging information and
533 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
534 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
535 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
536 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
537 must generate @command{configure} along with the various
538 @file{Makefile.in} by using the @command{autogen.sh} script.  This will
539 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
540
541 The whole process is illustrated in the following two
542 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
543 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
544 your login shell.)
545
546 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
547 everything is in default paths:
548
549 @example
550 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
551 $ ./configure
552 @end example
553
554 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
555 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
556 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
557 debugging information are switched on:
558
559 @example
560 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
561 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
562 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
563 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
564 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
565 @end example
566
567
568 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
569 @c    node-name, next, previous, up
570 @section Building GiNaC
571 @cindex building GiNaC
572
573 After proper configuration you should just build the whole
574 library by typing
575 @example
576 $ make
577 @end example
578 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
579 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
580 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
581 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
582
583 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
584 regression tests by typing
585
586 @example
587 $ make check
588 @end example
589
590 This will compile some sample programs, run them and check the output
591 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
592 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
593 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
594 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
595 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
596 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
597 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
598 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
599 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
600 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
601 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
602 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
603 to fiddle around with optimization.
604
605 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
606 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
607 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
608 @var{target} there in case something went wrong.
609
610
611 @node Installing GiNaC, Basic Concepts, Building GiNaC, Installation
612 @c    node-name, next, previous, up
613 @section Installing GiNaC
614 @cindex installation
615
616 To install GiNaC on your system, simply type
617
618 @example
619 $ make install
620 @end example
621
622 As described in the section about configuration the files will be
623 installed in the following directories (the directories will be created
624 if they don't already exist):
625
626 @itemize @bullet
627
628 @item
629 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
630 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
631 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
632 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
633 will be established as well.
634
635 @item
636 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
637 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
638
639 @item
640 All documentation (HTML and Postscript) will be stuffed into
641 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
642 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
643
644 @end itemize
645
646 For the sake of completeness we will list some other useful make
647 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
648 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
649 distclean} removes all files generated by the configuration and
650 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
651 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
652 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
653 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
654 work after you have called @command{make distclean} since the
655 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
656 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
657 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
658 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
659 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
660 do it by hand since you now know where all the files went during
661 installation.}.
662
663
664 @node Basic Concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
665 @c    node-name, next, previous, up
666 @chapter Basic Concepts
667
668 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
669 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
670 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
671 meta-class for storing all mathematical objects.
672
673 @menu
674 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
675 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
676 * Error handling::               How the library reports errors.
677 * The Class Hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
678 * Symbols::                      Symbolic objects.
679 * Numbers::                      Numerical objects.
680 * Constants::                    Pre-defined constants.
681 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
682 * Lists::                        Lists of expressions.
683 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
684 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
685 * Matrices::                     Matrices.
686 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
687 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
688 * Hash Maps::                    A faster alternative to std::map<>.
689 @end menu
690
691
692 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic Concepts, Basic Concepts
693 @c    node-name, next, previous, up
694 @section Expressions
695 @cindex expression (class @code{ex})
696 @cindex @code{has()}
697
698 The most common class of objects a user deals with is the expression
699 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
700 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
701 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
702 little collection of valid expressions:
703
704 @example
705 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
706 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
707 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
708 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
709 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
710 @end example
711
712 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
713 contain other expressions thus creating a tree of expressions
714 (@xref{Internal Structures}, for particular examples).  Most methods on
715 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
716 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
717 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
718 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
719 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
720
721 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
722 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
723 @code{ex}.
724
725 @subsection Note: Expressions and STL containers
726
727 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
728 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
729 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
730 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
731
732 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
733 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
734 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
735 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
736 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
737
738 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
739 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
740
741 @xref{Information About Expressions}, for more about comparing and ordering
742 expressions.
743
744
745 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic Concepts
746 @c    node-name, next, previous, up
747 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
748 @cindex evaluation
749
750 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
751 them and put them into a canonical form. Some examples:
752
753 @example
754 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
755 ex MyEx2 = x - x;        // 0
756 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
757 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
758 @end example
759
760 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
761 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
762
763 @itemize @bullet
764 @item
765 at most of complexity
766 @tex
767 $O(n\log n)$
768 @end tex
769 @ifnottex
770 @math{O(n log n)}
771 @end ifnottex
772 @item
773 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
774 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
775 @end itemize
776
777 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
778 behave in an entirely obvious way at first glance:
779
780 @itemize
781 @item
782 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
783 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
784 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
785 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
786 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
787 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
788 canonical form.
789 @item
790 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
791 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
792 example
793 @example
794 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
795 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
796 @end example
797 @end itemize
798
799 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
800 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
801 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
802 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
803 some immediate simplifications.
804
805 @cindex @code{eval()}
806 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
807
808 @example
809 ex ex::eval(int level = 0) const;
810 ex basic::eval(int level = 0) const;
811 @end example
812
813 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
814 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
815 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
816 re-evaluate their results.
817
818
819 @node Error handling, The Class Hierarchy, Automatic evaluation, Basic Concepts
820 @c    node-name, next, previous, up
821 @section Error handling
822 @cindex exceptions
823 @cindex @code{pole_error} (class)
824
825 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
826 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
827 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
828 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
829 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
830 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
831 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
832 at a singularity.
833
834 The @code{pole_error} class has a member function
835
836 @example
837 int pole_error::degree() const;
838 @end example
839
840 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
841 logarithmic or the order is undefined).
842
843 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
844 the main program even if you don't want to do any special error handling.
845 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
846 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
847 usually only aborts the program without giving any information what went
848 wrong.
849
850 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
851 exceptions generated by GiNaC:
852
853 @example
854 #include <iostream>
855 #include <stdexcept>
856 #include <ginac/ginac.h>
857 using namespace std;
858 using namespace GiNaC;
859
860 int main()
861 @{
862     try @{
863         ...
864         // code using GiNaC
865         ...
866     @} catch (exception &p) @{
867         cerr << p.what() << endl;
868         return 1;
869     @}
870     return 0;
871 @}
872 @end example
873
874
875 @node The Class Hierarchy, Symbols, Error handling, Basic Concepts
876 @c    node-name, next, previous, up
877 @section The Class Hierarchy
878
879 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
880 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
881 helpers) are internally derived from one abstract base class called
882 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
883 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
884 containers of expressions and so on.
885
886 @cindex container
887 @cindex atom
888 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
889 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
890 some of the relations among the classes:
891
892 @image{classhierarchy}
893
894 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
895 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
896 duplication if two or more classes derived from them share certain
897 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
898 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
899 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
900 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
901 Structures}, where these two classes are described in more detail.  The
902 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
903 are stored in the different classes:
904
905 @cartouche
906 @multitable @columnfractions .22 .78
907 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
908 @item @code{constant} @tab Constants like 
909 @tex
910 $\pi$
911 @end tex
912 @ifnottex
913 @math{Pi}
914 @end ifnottex
915 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
916 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
917 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
918 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
919 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
920 @tex
921 $\sqrt{2}$
922 @end tex
923 @ifnottex
924 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
925 @end ifnottex
926 @dots{}
927 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
928 @item @code{function} @tab A symbolic function like
929 @tex
930 $\sin 2x$
931 @end tex
932 @ifnottex
933 @math{sin(2*x)}
934 @end ifnottex
935 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
936 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
937 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
938 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
939 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
940 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
941 @item @code{varidx} @tab Index with variance
942 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
943 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
944 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
945 @end multitable
946 @end cartouche
947
948
949 @node Symbols, Numbers, The Class Hierarchy, Basic Concepts
950 @c    node-name, next, previous, up
951 @section Symbols
952 @cindex @code{symbol} (class)
953 @cindex hierarchy of classes
954
955 @cindex atom
956 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
957 manipulation what atoms are for chemistry.
958
959 A typical symbol definition looks like this:
960 @example
961 symbol x("x");
962 @end example
963
964 This definition actually contains three very different things:
965 @itemize
966 @item a C++ variable named @code{x}
967 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
968   represents the symbol in a GiNaC expression
969 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
970   exclusively for printing expressions holding the symbol
971 @end itemize
972
973 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
974 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
975 throws them away during compilation.
976
977 It is possible to omit the symbol name in the definition:
978 @example
979 symbol x;
980 @end example
981
982 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
983 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
984 the output of your calculations will become more readable if you give your
985 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
986 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
987
988 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
989 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
990 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
991 is unique for each newly created @code{symbol} object. In you want to use
992 one and the same symbol in different places in your program, you must only
993 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
994 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
995 indeterminate.
996
997 Observe:
998 @example
999 ex f(int n)
1000 @{
1001     symbol x("x");
1002     return pow(x, n);
1003 @}
1004
1005 int main()
1006 @{
1007     symbol x("x");
1008     ex e = f(6);
1009
1010     cout << e << endl;
1011      // prints "x^6" which looks right, but...
1012
1013     cout << e.degree(x) << endl;
1014      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1015      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1016      // prints "0".
1017 @}
1018 @end example
1019
1020 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1021 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1022 @example
1023 ex f(int n, const ex & x)
1024 @{
1025     return pow(x, n);
1026 @}
1027
1028 int main()
1029 @{
1030     symbol x("x");
1031
1032     // Now, f() uses the same symbol.
1033     ex e = f(6, x);
1034
1035     cout << e.degree(x) << endl;
1036      // prints "6", as expected
1037 @}
1038 @end example
1039
1040 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1041 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1042 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1043 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1044 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1045 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1046 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1047 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1048 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1049 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1050 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1051
1052 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1053 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1054 like this one:
1055 @example
1056 const symbol & get_symbol(const string & s)
1057 @{
1058     static map<string, symbol> directory;
1059     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1060     if (i != directory.end())
1061         return i->second;
1062     else
1063         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1064 @}
1065 @end example
1066
1067 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1068 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1069 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1070 this:
1071 @example
1072 ex f(int n)
1073 @{
1074     return pow(get_symbol("x"), n);
1075 @}
1076
1077 int main()
1078 @{
1079     ex e = f(6);
1080
1081     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1082     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1083      // prints "6"
1084 @}
1085 @end example
1086
1087 Instead of creating symbols from strings we could also have
1088 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1089 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1090 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1091 @code{ostringstream}.
1092
1093 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1094 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1095 definitions.
1096
1097 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1098 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1099 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1100 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/Output}).
1101
1102 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1103 in LaTeX output:
1104 @example
1105 symbol x("x", "\\Box");
1106 @end example
1107
1108 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1109 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/Output}, for more
1110 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1111 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1112 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1113
1114 @cindex @code{subs()}
1115 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1116 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1117 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1118 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1119 (@pxref{Substituting Expressions}).
1120
1121 @cindex @code{realsymbol()}
1122 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1123 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1124 for example (@pxref{Complex Conjugation}), do @emph{not} evaluate if applied
1125 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1126 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1127 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real values, you
1128 would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC allows you to specify
1129 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1130 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1131
1132
1133 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic Concepts
1134 @c    node-name, next, previous, up
1135 @section Numbers
1136 @cindex @code{numeric} (class)
1137
1138 @cindex GMP
1139 @cindex CLN
1140 @cindex rational
1141 @cindex fraction
1142 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1143 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1144 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1145 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1146 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1147 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1148 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1149 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1150 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1151 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1152 several useful things: First, it introduces the complex number field
1153 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1154 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1155 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1156 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1157 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1158 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1159 calculation of some useful constants.
1160
1161 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1162 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1163 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1164 integers, construction from C-float and construction from a string:
1165
1166 @example
1167 #include <iostream>
1168 #include <ginac/ginac.h>
1169 using namespace GiNaC;
1170
1171 int main()
1172 @{
1173     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1174     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1175     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1176     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1177     // Trott's constant in scientific notation:
1178     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1179     
1180     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1181     ...
1182 @end example
1183
1184 @cindex @code{I}
1185 @cindex complex numbers
1186 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1187 name @code{I}:
1188
1189 @example
1190     ...
1191     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1192     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1193 @}
1194 @end example
1195
1196 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1197 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1198 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1199 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1200 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1201 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1202 also.
1203
1204 @cindex @code{Digits}
1205 @cindex accuracy
1206 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1207 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1208 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1209 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1210 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1211 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1212 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1213 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1214 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1215 digits:
1216
1217 @example
1218 #include <iostream>
1219 #include <ginac/ginac.h>
1220 using namespace std;
1221 using namespace GiNaC;
1222
1223 void foo()
1224 @{
1225     numeric three(3.0), one(1.0);
1226     numeric x = one/three;
1227
1228     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1229     cout << x << endl;
1230     cout << Pi.evalf() << endl;
1231 @}
1232
1233 int main()
1234 @{
1235     foo();
1236     Digits = 60;
1237     foo();
1238     return 0;
1239 @}
1240 @end example
1241
1242 The above example prints the following output to screen:
1243
1244 @example
1245 in 17 digits:
1246 0.33333333333333333334
1247 3.1415926535897932385
1248 in 60 digits:
1249 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1250 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1251 @end example
1252
1253 @cindex rounding
1254 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1255 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1256 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1257 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1258 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1259 architectures with different word size, the above output might even
1260 differ with regard to actually computed digits.
1261
1262 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1263 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1264 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1265
1266 @subsection Tests on numbers
1267
1268 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1269 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1270 kind of information from them like asking whether that number is
1271 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1272 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1273 certain CLN functions.)
1274
1275 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1276 some multiple of its denominator and test what comes out:
1277
1278 @example
1279 #include <iostream>
1280 #include <ginac/ginac.h>
1281 using namespace std;
1282 using namespace GiNaC;
1283
1284 // some very important constants:
1285 const numeric twentyone(21);
1286 const numeric ten(10);
1287 const numeric five(5);
1288
1289 int main()
1290 @{
1291     numeric answer = twentyone;
1292
1293     answer /= five;
1294     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1295     answer *= ten;
1296     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1297 @}
1298 @end example
1299
1300 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1301 by @code{numeric}'s copy constructor but in an intermediate step it
1302 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1303 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1304 the result is automatically converted to a pure integer again.
1305 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1306 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1307 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1308 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1309 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1310 can be applied is listed in the following table.
1311
1312 @cartouche
1313 @multitable @columnfractions .30 .70
1314 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1315 @item @code{.is_zero()}
1316 @tab @dots{}equal to zero
1317 @item @code{.is_positive()}
1318 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1319 @item @code{.is_integer()}
1320 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1321 @item @code{.is_pos_integer()}
1322 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1323 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1324 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1325 @item @code{.is_even()}
1326 @tab @dots{}an even integer
1327 @item @code{.is_odd()}
1328 @tab @dots{}an odd integer
1329 @item @code{.is_prime()}
1330 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1331 @item @code{.is_rational()}
1332 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1333 @item @code{.is_real()}
1334 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1335 @item @code{.is_cinteger()}
1336 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1337 @item @code{.is_crational()}
1338 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1339 @end multitable
1340 @end cartouche
1341
1342 @subsection Numeric functions
1343
1344 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1345 evaluated immediately:
1346
1347 @cartouche
1348 @multitable @columnfractions .30 .70
1349 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1350 @item @code{inverse(z)}
1351 @tab returns @math{1/z}
1352 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1353 @item @code{pow(a, b)}
1354 @tab exponentiation @math{a^b}
1355 @item @code{abs(z)}
1356 @tab absolute value
1357 @item @code{real(z)}
1358 @tab real part
1359 @cindex @code{real()}
1360 @item @code{imag(z)}
1361 @tab imaginary part
1362 @cindex @code{imag()}
1363 @item @code{csgn(z)}
1364 @tab complex sign (returns an @code{int})
1365 @item @code{numer(z)}
1366 @tab numerator of rational or complex rational number
1367 @item @code{denom(z)}
1368 @tab denominator of rational or complex rational number
1369 @item @code{sqrt(z)}
1370 @tab square root
1371 @item @code{isqrt(n)}
1372 @tab integer square root
1373 @cindex @code{isqrt()}
1374 @item @code{sin(z)}
1375 @tab sine
1376 @item @code{cos(z)}
1377 @tab cosine
1378 @item @code{tan(z)}
1379 @tab tangent
1380 @item @code{asin(z)}
1381 @tab inverse sine
1382 @item @code{acos(z)}
1383 @tab inverse cosine
1384 @item @code{atan(z)}
1385 @tab inverse tangent
1386 @item @code{atan(y, x)}
1387 @tab inverse tangent with two arguments
1388 @item @code{sinh(z)}
1389 @tab hyperbolic sine
1390 @item @code{cosh(z)}
1391 @tab hyperbolic cosine
1392 @item @code{tanh(z)}
1393 @tab hyperbolic tangent
1394 @item @code{asinh(z)}
1395 @tab inverse hyperbolic sine
1396 @item @code{acosh(z)}
1397 @tab inverse hyperbolic cosine
1398 @item @code{atanh(z)}
1399 @tab inverse hyperbolic tangent
1400 @item @code{exp(z)}
1401 @tab exponential function
1402 @item @code{log(z)}
1403 @tab natural logarithm
1404 @item @code{Li2(z)}
1405 @tab dilogarithm
1406 @item @code{zeta(z)}
1407 @tab Riemann's zeta function
1408 @item @code{tgamma(z)}
1409 @tab gamma function
1410 @item @code{lgamma(z)}
1411 @tab logarithm of gamma function
1412 @item @code{psi(z)}
1413 @tab psi (digamma) function
1414 @item @code{psi(n, z)}
1415 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1416 @item @code{factorial(n)}
1417 @tab factorial function @math{n!}
1418 @item @code{doublefactorial(n)}
1419 @tab double factorial function @math{n!!}
1420 @cindex @code{doublefactorial()}
1421 @item @code{binomial(n, k)}
1422 @tab binomial coefficients
1423 @item @code{bernoulli(n)}
1424 @tab Bernoulli numbers
1425 @cindex @code{bernoulli()}
1426 @item @code{fibonacci(n)}
1427 @tab Fibonacci numbers
1428 @cindex @code{fibonacci()}
1429 @item @code{mod(a, b)}
1430 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1431 @cindex @code{mod()}
1432 @item @code{smod(a, b)}
1433 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1434 @cindex @code{smod()}
1435 @item @code{irem(a, b)}
1436 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1437 @cindex @code{irem()}
1438 @item @code{irem(a, b, q)}
1439 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1440 @item @code{iquo(a, b)}
1441 @tab integer quotient
1442 @cindex @code{iquo()}
1443 @item @code{iquo(a, b, r)}
1444 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1445 @item @code{gcd(a, b)}
1446 @tab greatest common divisor
1447 @item @code{lcm(a, b)}
1448 @tab least common multiple
1449 @end multitable
1450 @end cartouche
1451
1452 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1453 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1454 as polynomial algorithms.
1455
1456 @subsection Converting numbers
1457
1458 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1459 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1460 class provides a couple of methods for this purpose:
1461
1462 @cindex @code{to_int()}
1463 @cindex @code{to_long()}
1464 @cindex @code{to_double()}
1465 @cindex @code{to_cl_N()}
1466 @example
1467 int numeric::to_int() const;
1468 long numeric::to_long() const;
1469 double numeric::to_double() const;
1470 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1471 @end example
1472
1473 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1474 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1475 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1476 rational number will return a floating-point approximation. Both
1477 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1478 part of complex numbers.
1479
1480
1481 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic Concepts
1482 @c    node-name, next, previous, up
1483 @section Constants
1484 @cindex @code{constant} (class)
1485
1486 @cindex @code{Pi}
1487 @cindex @code{Catalan}
1488 @cindex @code{Euler}
1489 @cindex @code{evalf()}
1490 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1491 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1492
1493 The predefined known constants are:
1494
1495 @cartouche
1496 @multitable @columnfractions .14 .30 .56
1497 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1498 @item @code{Pi}
1499 @tab Archimedes' constant
1500 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1501 @item @code{Catalan}
1502 @tab Catalan's constant
1503 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1504 @item @code{Euler}
1505 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1506 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1507 @end multitable
1508 @end cartouche
1509
1510
1511 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic Concepts
1512 @c    node-name, next, previous, up
1513 @section Sums, products and powers
1514 @cindex polynomial
1515 @cindex @code{add}
1516 @cindex @code{mul}
1517 @cindex @code{power}
1518
1519 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1520 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1521 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1522 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1523 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1524 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1525 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1526 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1527
1528 @example
1529     ...
1530     symbol a("a"), b("b");
1531     ex MyTerm = 1+a*b;
1532     ...
1533 @end example
1534
1535 @cindex @code{pow()}
1536 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1537 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1538 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1539 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1540 have several counterintuitive and undesired effects:
1541
1542 @itemize @bullet
1543 @item
1544 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1545 @item
1546 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1547 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1548 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1549 @item
1550 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1551 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1552 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1553 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1554 has requested @code{2^3}.)
1555 @end itemize
1556
1557 @cindex @command{ginsh}
1558 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1559 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1560 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1561 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1562 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1563 not exist at all in C++).
1564
1565 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1566 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1567 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1568 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1569 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1570 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1571 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1572 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1573 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1574 @code{x} negative.
1575
1576 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1577 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1578 and safe simplifications are carried out like transforming
1579 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1580
1581
1582 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic Concepts
1583 @c    node-name, next, previous, up
1584 @section Lists of expressions
1585 @cindex @code{lst} (class)
1586 @cindex lists
1587 @cindex @code{nops()}
1588 @cindex @code{op()}
1589 @cindex @code{append()}
1590 @cindex @code{prepend()}
1591 @cindex @code{remove_first()}
1592 @cindex @code{remove_last()}
1593 @cindex @code{remove_all()}
1594
1595 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1596 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1597 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1598 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1599 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1600
1601 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1602 expressions:
1603
1604 @example
1605 @{
1606     symbol x("x"), y("y");
1607     lst l;
1608     l = x, 2, y, x+y;
1609     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1610     // in that order
1611     ...
1612 @end example
1613
1614 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1615 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1616
1617 @example
1618     ...
1619     // This produces the same list 'l' as above:
1620     // lst l(x, 2, y, x+y);
1621     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1622     ...
1623 @end example
1624
1625 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1626 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1627 individual elements:
1628
1629 @example
1630     ...
1631     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1632     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1633     ...
1634 @end example
1635
1636 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1637 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1638 sequential access to the elements of a list is possible with the
1639 iterator types provided by the @code{lst} class:
1640
1641 @example
1642 typedef ... lst::const_iterator;
1643 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1644 lst::const_iterator lst::begin() const;
1645 lst::const_iterator lst::end() const;
1646 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1647 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1648 @end example
1649
1650 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1651
1652 @example
1653     ...
1654     // O(N)
1655     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1656         cout << *i << endl;
1657     ...
1658 @end example
1659
1660 which is one order faster than
1661
1662 @example
1663     ...
1664     // O(N^2)
1665     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1666         cout << l.op(i) << endl;
1667     ...
1668 @end example
1669
1670 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1671 the C++ standard library:
1672
1673 @example
1674     ...
1675     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1676     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1677
1678     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1679     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1680     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1681     ...
1682 @end example
1683
1684 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1685 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1686
1687 @example
1688     ...
1689     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1690     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1691     ...
1692 @end example
1693
1694 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1695 and @code{prepend()} methods:
1696
1697 @example
1698     ...
1699     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1700     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1701     ...
1702 @end example
1703
1704 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1705 and @code{remove_last()}:
1706
1707 @example
1708     ...
1709     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1710     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1711     ...
1712 @end example
1713
1714 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1715
1716 @example
1717     ...
1718     l.remove_all();     // l is now empty
1719     ...
1720 @end example
1721
1722 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1723
1724 @example
1725     ...
1726     lst l1, l2;
1727     l1 = x, 2, y, x+y;
1728     l2 = 2, x+y, x, y;
1729     l1.sort();
1730     l2.sort();
1731     // l1 and l2 are now equal
1732     ...
1733 @end example
1734
1735 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1736 elements with @code{unique()}:
1737
1738 @example
1739     ...
1740     lst l3;
1741     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1742     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1743 @}
1744 @end example
1745
1746
1747 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic Concepts
1748 @c    node-name, next, previous, up
1749 @section Mathematical functions
1750 @cindex @code{function} (class)
1751 @cindex trigonometric function
1752 @cindex hyperbolic function
1753
1754 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1755 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1756 (@xref{Built-in Functions}, for a complete list).
1757
1758 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1759 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1760 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1761 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1762 the next example, showing how a function returns itself twice and
1763 finally an expression that may be really useful:
1764
1765 @cindex Gamma function
1766 @cindex @code{subs()}
1767 @example
1768     ...
1769     symbol x("x"), y("y");    
1770     ex foo = x+y/2;
1771     cout << tgamma(foo) << endl;
1772      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1773     ex bar = foo.subs(y==1);
1774     cout << tgamma(bar) << endl;
1775      // -> tgamma(x+1/2)
1776     ex foobar = bar.subs(x==7);
1777     cout << tgamma(foobar) << endl;
1778      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1779     ...
1780 @end example
1781
1782 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1783 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1784 this.
1785
1786 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1787 functions, where the argument list is templated.  This means that
1788 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1789 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1790 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1791 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1792 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1793 point number of class @code{numeric} you should call
1794 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1795 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1796 wrapped inside an @code{ex}.
1797
1798
1799 @node Relations, Matrices, Mathematical functions, Basic Concepts
1800 @c    node-name, next, previous, up
1801 @section Relations
1802 @cindex @code{relational} (class)
1803
1804 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1805 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1806 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1807 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1808 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1809 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1810
1811 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1812 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1813 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1814 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1815 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1816 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1817 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1818 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1819 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1820 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1821 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1822 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1823 @code{expand()} must be called explicitly.
1824
1825
1826 @node Matrices, Indexed objects, Relations, Basic Concepts
1827 @c    node-name, next, previous, up
1828 @section Matrices
1829 @cindex @code{matrix} (class)
1830
1831 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1832 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1833 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1834 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1835
1836 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1837 elements. The constructor
1838
1839 @example
1840 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1841 @end example
1842
1843 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1844 set to zero.
1845
1846 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1847 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1848 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1849
1850 @example
1851 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1852 @end example
1853
1854 The function
1855
1856 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1857 @example
1858 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1859 @end example
1860
1861 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1862
1863 There is also a set of functions for creating some special types of
1864 matrices:
1865
1866 @cindex @code{diag_matrix()}
1867 @cindex @code{unit_matrix()}
1868 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1869 @example
1870 ex diag_matrix(const lst & l);
1871 ex unit_matrix(unsigned x);
1872 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1873 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1874 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name, const string & tex_base_name);
1875 @end example
1876
1877 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1878 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1879 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1880 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1881 and the position of each element in the matrix.
1882
1883 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
1884 operator:
1885
1886 @example
1887 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
1888 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
1889 @end example
1890
1891 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
1892 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
1893 @samp{[]} is not available.
1894
1895 Here are a couple of examples for constructing matrices:
1896
1897 @example
1898 @{
1899     symbol a("a"), b("b");
1900
1901     matrix M(2, 2);
1902     M = a, 0,
1903         0, b;
1904     cout << M << endl;
1905      // -> [[a,0],[0,b]]
1906
1907     matrix M2(2, 2);
1908     M2(0, 0) = a;
1909     M2(1, 1) = b;
1910     cout << M2 << endl;
1911      // -> [[a,0],[0,b]]
1912
1913     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
1914      // -> [[a,0],[0,b]]
1915
1916     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
1917      // -> [[a,0],[0,b]]
1918
1919     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
1920      // -> [[a,0],[0,b]]
1921
1922     cout << unit_matrix(3) << endl;
1923      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
1924
1925     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
1926      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
1927 @}
1928 @end example
1929
1930 @cindex @code{transpose()}
1931 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
1932 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
1933
1934 @example
1935 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
1936 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
1937 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
1938 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
1939 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
1940 matrix matrix::transpose() const;
1941 @end example
1942
1943 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
1944 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
1945 and @math{C}:
1946
1947 @example
1948 @{
1949     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
1950     A =  1, 2,
1951          3, 4;
1952     B = -1, 0,
1953          2, 1;
1954     C =  8, 4,
1955          2, 1;
1956
1957     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
1958     cout << result << endl;
1959      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1960     ...
1961 @}
1962 @end example
1963
1964 @cindex @code{evalm()}
1965 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
1966 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
1967 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
1968 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
1969 method
1970
1971 @example
1972 ex ex::evalm() const;
1973 @end example
1974
1975 to obtain the result:
1976
1977 @example
1978 @{
1979     ...
1980     ex e = A*B - 2*C;
1981     cout << e << endl;
1982      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
1983     cout << e.evalm() << endl;
1984      // -> [[-13,-6],[1,2]]
1985     ...
1986 @}
1987 @end example
1988
1989 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
1990 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
1991 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
1992 dealing with non-commutative expressions.
1993
1994 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
1995 to perform the arithmetic:
1996
1997 @example
1998 @{
1999     ...
2000     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2001     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2002     cout << e << endl;
2003      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2004     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2005      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2006 @}
2007 @end example
2008
2009 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2010 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2011 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2012 more information about using matrices with indices, and about indices in
2013 general.
2014
2015 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2016 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2017
2018 @cindex @code{determinant()}
2019 @cindex @code{trace()}
2020 @cindex @code{charpoly()}
2021 @cindex @code{rank()}
2022 @example
2023 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2024 ex matrix::trace() const;
2025 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2026 unsigned matrix::rank() const;
2027 @end example
2028
2029 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2030 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2031 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2032 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2033 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2034 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2035 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2036 quickly.
2037
2038 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2039 @cindex @code{solve()}
2040 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2041 method and linear systems may be solved with:
2042
2043 @example
2044 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs, unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2045 @end example
2046
2047 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2048 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2049 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2050 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2051 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2052 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2053 overdetermined, an exception is thrown.
2054
2055
2056 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic Concepts
2057 @c    node-name, next, previous, up
2058 @section Indexed objects
2059
2060 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2061 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2062 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2063 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2064
2065 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2066 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2067 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2068 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2069
2070 @cindex @code{idx} (class)
2071 @cindex @code{indexed} (class)
2072 @subsection Indexed quantities and their indices
2073
2074 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2075 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2076
2077 @itemize @bullet
2078
2079 @cindex contravariant
2080 @cindex covariant
2081 @cindex variance
2082 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2083 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2084 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2085 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2086 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2087 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2088
2089 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2090 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2091 one or more indices.
2092
2093 @end itemize
2094
2095 @strong{Note:} when printing expressions, covariant indices and indices
2096 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2097 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2098 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2099 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2100 not visible in the output.
2101
2102 A simple example shall illustrate the concepts:
2103
2104 @example
2105 #include <iostream>
2106 #include <ginac/ginac.h>
2107 using namespace std;
2108 using namespace GiNaC;
2109
2110 int main()
2111 @{
2112     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2113     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2114
2115     symbol A("A");
2116     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2117      // -> A.i.j
2118     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2119      // -> A.i[3].j[3]
2120     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2121     ...
2122 @end example
2123
2124 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2125 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2126 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2127 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2128 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2129 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2130 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2131 @code{j}.
2132
2133 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2134 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2135 as shown above.
2136
2137 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2138 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2139 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2140 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2141 correct and will raise an exception:
2142
2143 @example
2144 symbol i("i"), j("j");
2145 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2146 @end example
2147
2148 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2149 be numeric, and index dimensions symbolic:
2150
2151 @example
2152     ...
2153     symbol B("B"), dim("dim");
2154     cout << 4 * indexed(A, i)
2155           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2156      // -> B.j.2.i+4*A.i
2157     ...
2158 @end example
2159
2160 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2161 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2162 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2163 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2164 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2165
2166 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2167 arbitrary expressions:
2168
2169 @example
2170     ...
2171     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2172      // -> (B+A).(1+2*i)
2173     ...
2174 @end example
2175
2176 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2177 get an error message from this but you will probably not be able to do
2178 anything useful with it.
2179
2180 @cindex @code{get_value()}
2181 @cindex @code{get_dimension()}
2182 The methods
2183
2184 @example
2185 ex idx::get_value();
2186 ex idx::get_dimension();
2187 @end example
2188
2189 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2190 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2191 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2192 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2193
2194 There are also the methods
2195
2196 @example
2197 bool idx::is_numeric();
2198 bool idx::is_symbolic();
2199 bool idx::is_dim_numeric();
2200 bool idx::is_dim_symbolic();
2201 @end example
2202
2203 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2204 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2205 About Expressions}) returns information about the index value.
2206
2207 @cindex @code{varidx} (class)
2208 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2209
2210 @example
2211     ...
2212     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2213     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2214     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2215
2216     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2217      // -> A~mu~nu
2218     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2219      // -> A.mu~nu
2220     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2221      // -> A.mu~nu
2222     ...
2223 @end example
2224
2225 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2226 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2227 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2228 constructor. The two methods
2229
2230 @example
2231 bool varidx::is_covariant();
2232 bool varidx::is_contravariant();
2233 @end example
2234
2235 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2236 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2237 method
2238
2239 @example
2240 ex varidx::toggle_variance();
2241 @end example
2242
2243 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2244 variance. By using it you only have to define the index once.
2245
2246 @cindex @code{spinidx} (class)
2247 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2248 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2249
2250 @example
2251     ...
2252     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2253     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2254                                             // contravariant, undotted
2255     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2256     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2257     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2258
2259     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2260      // -> K~C~D
2261     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2262      // -> K.C~*D
2263     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2264      // -> K.*D~D
2265     ...
2266 @end example
2267
2268 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2269 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2270 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2271 methods
2272
2273 @example
2274 bool spinidx::is_dotted();
2275 bool spinidx::is_undotted();
2276 @end example
2277
2278 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2279 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2280 Finally, the two methods
2281
2282 @example
2283 ex spinidx::toggle_dot();
2284 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2285 @end example
2286
2287 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2288 and the same or opposite variance.
2289
2290 @subsection Substituting indices
2291
2292 @cindex @code{subs()}
2293 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2294 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2295 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2296 is done for symbols (see @ref{Substituting Expressions}).
2297
2298 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2299 by another index or expression:
2300
2301 @example
2302     ...
2303     ex e = indexed(A, mu_co);
2304     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2305      // -> A.mu becomes A~nu
2306     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2307      // -> A.mu becomes A~0
2308     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2309      // -> A.mu becomes A.0
2310     ...
2311 @end example
2312
2313 The third example shows that trying to replace an index with something that
2314 is not an index will substitute the index value instead.
2315
2316 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2317 another expression:
2318
2319 @example
2320     ...
2321     ex e = indexed(A, mu_co);
2322     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2323      // -> A.mu becomes A.nu
2324     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2325      // -> A.mu becomes A.0
2326     ...
2327 @end example
2328
2329 As you see, with the second method only the value of the index will get
2330 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2331 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2332 whole index by another one with the new dimension.
2333
2334 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2335 expected:
2336
2337 @example
2338     ...
2339     ex e = indexed(A, mu_co);
2340     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2341      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2342     ...
2343 @end example
2344
2345 @subsection Symmetries
2346 @cindex @code{symmetry} (class)
2347 @cindex @code{sy_none()}
2348 @cindex @code{sy_symm()}
2349 @cindex @code{sy_anti()}
2350 @cindex @code{sy_cycl()}
2351
2352 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2353 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2354 that is constructed with the helper functions
2355
2356 @example
2357 symmetry sy_none(...);
2358 symmetry sy_symm(...);
2359 symmetry sy_anti(...);
2360 symmetry sy_cycl(...);
2361 @end example
2362
2363 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2364 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2365 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2366 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2367 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2368 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2369 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2370 all indices.
2371
2372 Here are some examples of symmetry definitions:
2373
2374 @example
2375     ...
2376     // No symmetry:
2377     e = indexed(A, i, j);
2378     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2379     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2380
2381     // Symmetric in all three indices:
2382     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2383     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2384     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2385                                                // different canonical order
2386
2387     // Symmetric in the first two indices only:
2388     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2389     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2390
2391     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2392     // be contiguous):
2393     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2394     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2395
2396     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2397     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2398     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2399     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2400
2401     // Cyclic symmetry in all three indices:
2402     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2403     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2404
2405     // The following examples are invalid constructions that will throw
2406     // an exception at run time.
2407
2408     // An index may not appear multiple times:
2409     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2410     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2411
2412     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2413     // same number of indices:
2414     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2415
2416     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2417     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2418     ...
2419 @end example
2420
2421 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2422 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2423 full symmetry in the first six indices you would write
2424 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2425
2426 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2427 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2428
2429 @example
2430     ...
2431     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2432           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2433      // -> 2*A.j.i
2434     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2435           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2436      // -> 0
2437     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2438           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2439      // -> 0
2440     ...
2441 @end example
2442
2443 @cindex @code{get_free_indices()}
2444 @cindex dummy index
2445 @subsection Dummy indices
2446
2447 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2448 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2449 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2450 dummy nor free indices.
2451
2452 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2453 class and their value must be the same single symbol (an index like
2454 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2455 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2456 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2457
2458 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2459 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2460 of a sum are consistent:
2461
2462 @example
2463 @{
2464     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2465
2466     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2467     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2468
2469     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2470     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2471      // -> (.i,.k)
2472      // 'j' and 'l' are dummy indices
2473
2474     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2475     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2476
2477     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2478       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2479     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2480      // -> (~mu,~rho)
2481      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2482
2483     e = indexed(A, mu, mu);
2484     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2485      // -> (~mu)
2486      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2487      // variance
2488
2489     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2490     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2491      // this will throw an exception:
2492      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2493 @}
2494 @end example
2495
2496 @cindex @code{simplify_indexed()}
2497 @subsection Simplifying indexed expressions
2498
2499 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2500 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2501 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2502 there is the method
2503
2504 @example
2505 ex ex::simplify_indexed();
2506 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2507 @end example
2508
2509 that performs some more expensive operations:
2510
2511 @itemize
2512 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2513   @code{get_free_indices()} does
2514 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2515   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2516 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2517   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2518   next section)
2519 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2520   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2521 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2522   of two tensors with a user-defined value
2523 @end itemize
2524
2525 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2526 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2527 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2528
2529 @example
2530 @{
2531     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2532     idx i(i_sym, 3);
2533
2534     scalar_products sp;
2535     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2536     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2537     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2538
2539     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2540     cout << e << endl;
2541      // -> (B+A).i*(A+C).i
2542
2543     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2544          << endl;
2545      // -> 4+C.i*B.i
2546 @}
2547 @end example
2548
2549 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2550 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2551 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2552 taken, and the expression to replace it with. After @code{sp.add(A, B, 0)},
2553 @code{simplify_indexed()} will replace all scalar products of indexed
2554 objects that have the symbols @code{A} and @code{B} as base expressions
2555 with the single value 0. The number, type and dimension of the indices
2556 don't matter; @samp{A~mu~nu*B.mu.nu} would also be replaced by 0.
2557
2558 @cindex @code{expand()}
2559 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2560 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2561 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2562
2563 @cindex @code{tensor} (class)
2564 @subsection Predefined tensors
2565
2566 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2567 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2568 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2569 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2570 indices are specified).
2571
2572 @cindex @code{delta_tensor()}
2573 @subsubsection Delta tensor
2574
2575 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2576 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2577 @code{delta_tensor()}:
2578
2579 @example
2580 @{
2581     symbol A("A"), B("B");
2582
2583     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2584         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2585
2586     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2587          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l) << endl;
2588     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2589      // -> B.i.j*A.i.j
2590
2591     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2592      // -> 3
2593 @}
2594 @end example
2595
2596 @cindex @code{metric_tensor()}
2597 @subsubsection General metric tensor
2598
2599 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2600 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2601 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2602 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2603
2604 @example
2605 @{
2606     symbol A("A");
2607
2608     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2609
2610     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2611     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2612      // -> A~mu~rho
2613
2614     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2615     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2616      // -> g~mu~rho
2617
2618     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2619       * metric_tensor(nu, rho);
2620     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2621      // -> delta.mu~rho
2622
2623     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2624       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2625         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2626     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2627      // -> 4+A.rho~rho
2628 @}
2629 @end example
2630
2631 @cindex @code{lorentz_g()}
2632 @subsubsection Minkowski metric tensor
2633
2634 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2635 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2636 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2637 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2638 @samp{eta}):
2639
2640 @example
2641 @{
2642     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2643
2644     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2645       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2646     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2647      // -> 1
2648
2649     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2650       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2651     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2652      // -> -1
2653 @}
2654 @end example
2655
2656 @cindex @code{spinor_metric()}
2657 @subsubsection Spinor metric tensor
2658
2659 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2660 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2661 It is output as @samp{eps}:
2662
2663 @example
2664 @{
2665     symbol psi("psi");
2666
2667     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2668     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2669
2670     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2671     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2672      // -> psi~A
2673
2674     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2675     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2676      // -> -psi~B
2677
2678     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2679     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2680      // -> -psi.A
2681
2682     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2683     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2684      // -> psi.B
2685
2686     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2687     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2688      // -> 2
2689
2690     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2691     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2692      // -> -delta.A~C
2693 @}
2694 @end example
2695
2696 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2697
2698 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2699 @cindex @code{lorentz_eps()}
2700 @subsubsection Epsilon tensor
2701
2702 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2703 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2704 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2705 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2706 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2707 @samp{eps}.
2708
2709 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2710 dimensions:
2711
2712 @example
2713 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2714 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2715 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4, bool pos_sig = false);
2716 @end example
2717
2718 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2719 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2720 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2721 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2722 tensor):
2723
2724 @example
2725 @{
2726     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2727            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2728     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2729         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2730     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2731      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2732
2733     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2734     symbol A("A"), B("B");
2735     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2736     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2737      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2738     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2739     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2740      // -> 0
2741 @}
2742 @end example
2743
2744 @subsection Linear algebra
2745
2746 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2747 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2748 and scalar products):
2749
2750 @example
2751 @{
2752     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2753     symbol x("x"), y("y");
2754
2755     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2756     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2757     A = 1, 2,
2758         3, 4;
2759     X = x, y;
2760
2761     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2762      // -> 5
2763
2764     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2765     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2766      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2767
2768     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2769     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2770      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2771 @}
2772 @end example
2773
2774 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2775 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2776 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2777
2778 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2779 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2780 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2781 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2782
2783 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2784 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2785 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2786 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2787 of the metric tensor.
2788
2789
2790 @node Non-commutative objects, Hash Maps, Indexed objects, Basic Concepts
2791 @c    node-name, next, previous, up
2792 @section Non-commutative objects
2793
2794 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2795 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2796 physics:
2797
2798 @itemize
2799 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2800 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2801 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2802 @end itemize
2803
2804 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2805 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2806 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2807 @ref{Matrices}.
2808
2809 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2810 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2811 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2812 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2813 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2814 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2815 by their class. Consider this example:
2816
2817 @example
2818     ...
2819     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
2820     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
2821     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
2822     cout << e << endl;
2823      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
2824     ...
2825 @end example
2826
2827 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
2828 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
2829 together while preserving the order of factors within each class (because
2830 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
2831 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
2832 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
2833 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
2834
2835 @cindex @code{ncmul} (class)
2836 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
2837 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
2838 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
2839 though.
2840
2841 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
2842 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
2843 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
2844 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
2845 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
2846 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
2847 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Symbols
2848 always commutate and it's not possible to construct non-commutative products
2849 using symbols to represent the algebra elements or generators. User-defined
2850 functions can, however, be specified as being non-commutative.
2851
2852 @cindex @code{return_type()}
2853 @cindex @code{return_type_tinfo()}
2854 Information about the commutativity of an object or expression can be
2855 obtained with the two member functions
2856
2857 @example
2858 unsigned ex::return_type() const;
2859 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
2860 @end example
2861
2862 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
2863 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
2864 expressions in GiNaC:
2865
2866 @itemize
2867 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
2868   classes are of this kind.
2869 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
2870   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
2871   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
2872   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
2873   class.
2874 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
2875   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
2876   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
2877   @code{noncommutative_composite} expressions.
2878 @end itemize
2879
2880 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
2881 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
2882 value that is unique to the class of the object and usually one of the
2883 constants in @file{tinfos.h}, or derived therefrom.
2884
2885 Here are a couple of examples:
2886
2887 @cartouche
2888 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
2889 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
2890 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
2891 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
2892 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2893 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
2894 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
2895 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
2896 @end multitable
2897 @end cartouche
2898
2899 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
2900 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
2901 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
2902 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
2903 for color objects.
2904
2905 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
2906 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
2907 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
2908 non-commutative expressions).
2909
2910
2911 @cindex @code{clifford} (class)
2912 @subsection Clifford algebra
2913
2914 @cindex @code{dirac_gamma()}
2915 Clifford algebra elements (also called Dirac gamma matrices, although GiNaC
2916 doesn't treat them as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
2917 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where @samp{eta~mu~nu}
2918 is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are constructed by the function
2919
2920 @example
2921 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
2922 @end example
2923
2924 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
2925 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
2926 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
2927 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
2928 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
2929 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
2930
2931 @cindex @code{dirac_ONE()}
2932 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
2933
2934 @example
2935 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
2936 @end example
2937
2938 @strong{Note:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
2939 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
2940 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
2941 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
2942 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
2943
2944 @cindex @code{dirac_gamma5()}
2945 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
2946 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
2947 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
2948
2949 @example
2950 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
2951 @end example
2952
2953 @cindex @code{dirac_gammaL()}
2954 @cindex @code{dirac_gammaR()}
2955 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
2956 objects, constructed by
2957
2958 @example
2959 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
2960 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
2961 @end example
2962
2963 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
2964 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
2965
2966 @cindex @code{dirac_slash()}
2967 Finally, the function
2968
2969 @example
2970 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
2971 @end example
2972
2973 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
2974 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
2975 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
2976 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
2977
2978 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
2979 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
2980 and @samp{gammaR} are moved to the front.
2981
2982 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
2983 for example
2984
2985 @example
2986 @{
2987     ...
2988     symbol a("a"), b("b"), D("D");
2989     varidx mu(symbol("mu"), D);
2990     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
2991          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
2992     cout << e << endl;
2993      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
2994     e = e.simplify_indexed();
2995     cout << e << endl;
2996      // -> -D*a\+2*a\
2997     cout << e.subs(D == 4) << endl;
2998      // -> -2*a\
2999     ...
3000 @}
3001 @end example
3002
3003 @cindex @code{dirac_trace()}
3004 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3005 you use one of the functions
3006
3007 @example
3008 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls, const ex & trONE = 4);
3009 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3010 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3011 @end example
3012
3013 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3014 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3015 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3016 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3017 element, which defaults to 4.
3018
3019 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3020 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3021 functional is not cyclic in @math{D != 4} dimensions when acting on
3022 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3023 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in
3024 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}.
3025
3026 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3027 @math{D != 4} dimensions:
3028
3029 @example
3030 @{
3031     // 4 dimensions
3032     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3033     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3034            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3035     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3036      // -> -8*eta~rho~nu
3037 @}
3038 ...
3039 @{
3040     // D dimensions
3041     symbol D("D");
3042     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3043     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3044            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3045     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3046      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3047 @}
3048 @end example
3049
3050 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3051 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3052 QED:
3053
3054 @example
3055 @{
3056     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3057     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3058
3059     scalar_products sp;
3060     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3061     sp.add(l, q, ldotq);
3062
3063     ex e = dirac_gamma(mu) *
3064            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3065            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3066            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3067     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3068     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3069     cout << e << endl;
3070      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3071 @}
3072 @end example
3073
3074 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3075 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3076 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3077
3078 @example
3079 @{
3080     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3081     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3082     cout << e << endl;
3083      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3084
3085     e = canonicalize_clifford(e);
3086     cout << e << endl;
3087      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3088 @}
3089 @end example
3090
3091
3092 @cindex @code{color} (class)
3093 @subsection Color algebra
3094
3095 @cindex @code{color_T()}
3096 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3097 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3098 elements @math{T_a} are constructed by the function
3099
3100 @example
3101 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3102 @end example
3103
3104 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3105 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3106 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3107 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3108 not @code{varidx}.
3109
3110 @cindex @code{color_ONE()}
3111 The unity element of a color algebra is constructed by
3112
3113 @example
3114 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3115 @end example
3116
3117 @strong{Note:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3118 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3119 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3120 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3121 GiNaC may produce incorrect results.
3122
3123 @cindex @code{color_d()}
3124 @cindex @code{color_f()}
3125 The functions
3126
3127 @example
3128 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3129 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3130 @end example
3131
3132 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3133 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3134 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3135
3136 @cindex @code{color_h()}
3137 There's an additional function
3138
3139 @example
3140 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3141 @end example
3142
3143 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3144
3145 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3146 expressions containing color objects:
3147
3148 @example
3149 @{
3150     ...
3151     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3152         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3153
3154     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3155     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3156      // -> 0
3157
3158     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3159     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3160      // -> 5/3*delta.k.l
3161
3162     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3163     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3164      // -> 3*delta.k.l
3165
3166     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3167     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3168      // -> -32/3
3169
3170     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3171     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3172      // -> -2/3*T.a
3173
3174     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3175     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3176      // -> -8/9*ONE
3177
3178     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3179     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3180      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3181     ...
3182 @end example
3183
3184 @cindex @code{color_trace()}
3185 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3186 of the functions
3187
3188 @example
3189 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3190 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3191 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3192 @end example
3193
3194 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3195 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3196 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3197 example:
3198
3199 @example
3200     ...
3201     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3202     cout << e << endl;
3203      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3204 @}
3205 @end example
3206
3207
3208 @node Hash Maps, Methods and Functions, Non-commutative objects, Basic Concepts
3209 @c    node-name, next, previous, up
3210 @section Hash Maps
3211 @cindex hash maps
3212 @cindex @code{exhashmap} (class)
3213
3214 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3215 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3216 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3217 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3218
3219 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3220 following differences:
3221
3222 @itemize @bullet
3223 @item
3224 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3225 @item
3226 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3227 @item 
3228 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3229 @item
3230 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3231 @code{ex_is_less}
3232 @item
3233 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3234 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3235 larger than the specified value)
3236 @item
3237 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3238 table
3239 @item 
3240 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3241 @end itemize
3242
3243
3244 @node Methods and Functions, Information About Expressions, Hash Maps, Top
3245 @c    node-name, next, previous, up
3246 @chapter Methods and Functions
3247 @cindex polynomial
3248
3249 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3250 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3251 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3252 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3253 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3254 example:
3255
3256 @example
3257     ...
3258     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3259     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3260     ...
3261 @end example
3262
3263 @cindex @code{subs()}
3264 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3265 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3266 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3267 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3268 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3269 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3270 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3271 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3272 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3273 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3274 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3275 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3276 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3277 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3278 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3279 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3280 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3281 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3282 avoided.
3283
3284 @menu
3285 * Information About Expressions::
3286 * Numerical Evaluation::
3287 * Substituting Expressions::
3288 * Pattern Matching and Advanced Substitutions::
3289 * Applying a Function on Subexpressions::
3290 * Visitors and Tree Traversal::
3291 * Polynomial Arithmetic::           Working with polynomials.
3292 * Rational Expressions::            Working with rational functions.
3293 * Symbolic Differentiation::
3294 * Series Expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3295 * Symmetrization::
3296 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3297 * Multiple polylogarithms::
3298 * Complex Conjugation::
3299 * Built-in Functions::              List of predefined mathematical functions.
3300 * Solving Linear Systems of Equations::
3301 * Input/Output::                    Input and output of expressions.
3302 @end menu
3303
3304
3305 @node Information About Expressions, Numerical Evaluation, Methods and Functions, Methods and Functions
3306 @c    node-name, next, previous, up
3307 @section Getting information about expressions
3308
3309 @subsection Checking expression types
3310 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3311 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3312 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3313 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3314 @cindex @code{info()}
3315 @cindex @code{return_type()}
3316 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3317
3318 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3319 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3320 GiNaC provides a couple of functions for this:
3321
3322 @example
3323 bool is_a<T>(const ex & e);
3324 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3325 bool ex::info(unsigned flag);
3326 unsigned ex::return_type() const;
3327 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3328 @end example
3329
3330 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3331 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3332 class names (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). For
3333 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3334
3335 @example
3336 @{
3337     @dots{}
3338     if (is_a<numeric>(e))
3339         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3340     @dots{}
3341 @}
3342 @end example
3343
3344 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3345 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3346 (@xref{The Class Hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3347 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3348
3349 @example
3350 @{
3351     symbol x("x");
3352     ex e1 = 42;
3353     ex e2 = 4*x - 3;
3354     is_a<numeric>(e1);  // true
3355     is_a<numeric>(e2);  // false
3356     is_a<add>(e1);      // false
3357     is_a<add>(e2);      // true
3358     is_a<mul>(e1);      // false
3359     is_a<mul>(e2);      // false
3360 @}
3361 @end example
3362
3363 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3364 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3365 class @samp{T}, not including parent classes.
3366
3367 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3368 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3369 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3370 table:
3371
3372 @cartouche
3373 @multitable @columnfractions .30 .70
3374 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3375 @item @code{numeric}
3376 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3377 @item @code{real}
3378 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
3379 @item @code{rational}
3380 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3381 @item @code{integer}
3382 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3383 @item @code{crational}
3384 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3385 @item @code{cinteger}
3386 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3387 @item @code{positive}
3388 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3389 @item @code{negative}
3390 @tab @dots{}not complex and less than 0
3391 @item @code{nonnegative}
3392 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3393 @item @code{posint}
3394 @tab @dots{}an integer greater than 0
3395 @item @code{negint}
3396 @tab @dots{}an integer less than 0
3397 @item @code{nonnegint}
3398 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3399 @item @code{even}
3400 @tab @dots{}an even integer
3401 @item @code{odd}
3402 @tab @dots{}an odd integer
3403 @item @code{prime}
3404 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3405 @item @code{relation}
3406 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3407 @item @code{relation_equal}
3408 @tab @dots{}a @code{==} relation
3409 @item @code{relation_not_equal}
3410 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3411 @item @code{relation_less}
3412 @tab @dots{}a @code{<} relation
3413 @item @code{relation_less_or_equal}
3414 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3415 @item @code{relation_greater}
3416 @tab @dots{}a @code{>} relation
3417 @item @code{relation_greater_or_equal}
3418 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3419 @item @code{symbol}
3420 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3421 @item @code{list}
3422 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3423 @item @code{polynomial}
3424 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3425 @item @code{integer_polynomial}
3426 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3427 @item @code{cinteger_polynomial}
3428 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3429 @item @code{rational_polynomial}
3430 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3431 @item @code{crational_polynomial}
3432 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3433 @item @code{rational_function}
3434 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3435 @item @code{algebraic}
3436 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3437 @end multitable
3438 @end cartouche
3439
3440 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3441 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3442 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3443 for an explanation of these.
3444
3445
3446 @subsection Accessing subexpressions
3447 @cindex container
3448
3449 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3450 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3451 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3452 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3453
3454 @cindex @code{nops()}
3455 @cindex @code{op()}
3456 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3457 use the two methods
3458
3459 @example
3460 size_t ex::nops();
3461 ex ex::op(size_t i);
3462 @end example
3463
3464 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3465 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3466 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3467 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3468 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3469 @math{i>0} are the indices.
3470
3471 @cindex iterators
3472 @cindex @code{const_iterator}
3473 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3474 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3475
3476 @example
3477 const_iterator ex::begin();
3478 const_iterator ex::end();
3479 @end example
3480
3481 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
3482 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
3483 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
3484 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
3485
3486 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
3487 given expression in three different ways:
3488
3489 @example
3490 @{
3491     ex e = ...
3492
3493     // with nops()/op()
3494     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
3495         cout << e.op(i) << endl;
3496
3497     // with iterators
3498     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
3499         cout << *i << endl;
3500
3501     // with iterators and STL copy()
3502     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3503 @}
3504 @end example
3505
3506 @cindex @code{const_preorder_iterator}
3507 @cindex @code{const_postorder_iterator}
3508 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
3509 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
3510 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
3511 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
3512 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
3513 methods
3514
3515 @example
3516 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
3517 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
3518 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
3519 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
3520 @end example
3521
3522 The following example illustrates the differences between
3523 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
3524 @code{const_postorder_iterator}:
3525
3526 @example
3527 @{
3528     symbol A("A"), B("B"), C("C");
3529     ex e = lst(lst(A, B), C);
3530
3531     std::copy(e.begin(), e.end(),
3532               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3533     // @{A,B@}
3534     // C
3535
3536     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
3537               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3538     // @{@{A,B@},C@}
3539     // @{A,B@}
3540     // A
3541     // B
3542     // C
3543
3544     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
3545               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
3546     // A
3547     // B
3548     // @{A,B@}
3549     // C
3550     // @{@{A,B@},C@}
3551 @}
3552 @end example
3553
3554 @cindex @code{relational} (class)
3555 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
3556 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
3557 methods
3558
3559 @example
3560 ex ex::lhs();
3561 ex ex::rhs();
3562 @end example
3563
3564
3565 @subsection Comparing expressions
3566 @cindex @code{is_equal()}
3567 @cindex @code{is_zero()}
3568
3569 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
3570 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
3571 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
3572 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
3573 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
3574 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
3575 @code{false}.
3576
3577 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
3578 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
3579 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
3580
3581 There are also two methods
3582
3583 @example
3584 bool ex::is_equal(const ex & other);
3585 bool ex::is_zero();
3586 @end example
3587
3588 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
3589 respectively.
3590
3591
3592 @subsection Ordering expressions
3593 @cindex @code{ex_is_less} (class)
3594 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
3595 @cindex @code{compare()}
3596
3597 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
3598 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
3599 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
3600 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
3601
3602 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
3603 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
3604 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
3605 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
3606 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
3607 yield @code{true}.
3608
3609 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
3610 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
3611 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
3612 predicates to the STL:
3613
3614 @example
3615 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3616 public:
3617     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3618 @};
3619
3620 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
3621 public:
3622     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
3623 @};
3624 @end example
3625
3626 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
3627 have to use
3628
3629 @example
3630 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
3631 @end example
3632
3633 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
3634 bugs because the map operates improperly.
3635
3636 Other examples for the use of the functors:
3637
3638 @example
3639 std::vector<ex> v;
3640 // fill vector
3641 ...
3642
3643 // sort vector
3644 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
3645
3646 // count the number of expressions equal to '1'
3647 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
3648                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
3649 @end example
3650
3651 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
3652
3653 @example
3654 int ex::compare(const ex & other) const;
3655 @end example
3656
3657 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
3658 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
3659 after @code{other}.
3660
3661
3662 @node Numerical Evaluation, Substituting Expressions, Information About Expressions, Methods and Functions
3663 @c    node-name, next, previous, up
3664 @section Numerical Evaluation
3665 @cindex @code{evalf()}
3666
3667 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
3668 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
3669
3670 @example
3671 ex ex::evalf(int level = 0) const;
3672 @end example
3673
3674 @cindex @code{Digits}
3675 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
3676 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
3677 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
3678
3679 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
3680 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
3681
3682 @example
3683 @{
3684     // Approximate sin(x/Pi)
3685     symbol x("x");
3686     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
3687
3688     // Evaluate numerically at x=0.1
3689     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
3690
3691     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
3692     if (is_a<numeric>(f)) @{
3693         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
3694         cout << d << endl;
3695          // -> 0.0318256
3696     @} else
3697         // error
3698 @}
3699 @end example
3700
3701
3702 @node Substituting Expressions, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Numerical Evaluation, Methods and Functions
3703 @c    node-name, next, previous, up
3704 @section Substituting expressions
3705 @cindex @code{subs()}
3706
3707 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
3708 expressions via the @code{.subs()} method:
3709
3710 @example
3711 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
3712 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
3713 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
3714 @end example
3715
3716 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
3717 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
3718
3719 @example
3720 @{
3721     symbol x("x"), y("y");
3722
3723     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
3724     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
3725      // -> 73
3726
3727     ex e2 = x*y + x;
3728     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
3729      // -> -10
3730 @}
3731 @end example
3732
3733 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
3734 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
3735
3736 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
3737 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
3738 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
3739 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
3740 be substituted is large or unknown.
3741
3742 Using this form, the second example from above would look like this:
3743
3744 @example
3745 @{
3746     symbol x("x"), y("y");
3747     ex e2 = x*y + x;
3748
3749     exmap m;
3750     m[x] = -2;
3751     m[y] = 4;
3752     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
3753 @}
3754 @end example
3755
3756 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
3757 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
3758 contain the same number of elements). Using this form, you would write
3759
3760 @example
3761 @{
3762     symbol x("x"), y("y");
3763     ex e2 = x*y + x;
3764
3765     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
3766 @}
3767 @end example
3768
3769 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
3770 @code{subs_options} flags. There are two options available:
3771 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
3772 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
3773 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
3774 algebraic substitutions in products and powers.
3775 @ref{Pattern Matching and Advanced Substitutions}, for more information
3776 about patterns and algebraic substitutions.
3777
3778 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
3779 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
3780 following example:
3781
3782 @example
3783 @{
3784     symbol x("x"), y("y"), z("z");
3785
3786     ex e1 = pow(x+y, 2);
3787     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
3788      // -> 16
3789
3790     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
3791     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
3792      // -> cos(x)^2*sin(y)
3793
3794     ex e3 = x+y+z;
3795     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
3796      // -> x+y+z
3797      // (and not 4+z as one might expect)
3798 @}
3799 @end example
3800
3801 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
3802 next section.
3803
3804
3805 @node Pattern Matching and Advanced Substitutions, Applying a Function on Subexpressions, Substituting Expressions, Methods and Functions
3806 @c    node-name, next, previous, up
3807 @section Pattern matching and advanced substitutions
3808 @cindex @code{wildcard} (class)
3809 @cindex Pattern matching
3810
3811 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
3812 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
3813 substituting expressions in a more general way.
3814
3815 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
3816 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
3817 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
3818 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
3819 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
3820 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
3821 with the call
3822
3823 @example
3824 ex wild(unsigned label = 0);
3825 @end example
3826
3827 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
3828 name.
3829
3830 Some examples for patterns:
3831
3832 @multitable @columnfractions .5 .5
3833 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
3834 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
3835 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
3836 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
3837 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
3838 @end multitable
3839
3840 Notes:
3841
3842 @itemize
3843 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
3844   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
3845 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
3846   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
3847   always be of class @code{idx} (or a subclass).
3848 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
3849   possible to use them as placeholders for other properties like index
3850   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
3851   etc.
3852 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
3853   as part of noncommutative products.
3854 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
3855   are also valid patterns.
3856 @end itemize
3857
3858 @subsection Matching expressions
3859 @cindex @code{match()}
3860 The most basic application of patterns is to check whether an expression
3861 matches a given pattern. This is done by the function
3862
3863 @example
3864 bool ex::match(const ex & pattern);
3865 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
3866 @end example
3867
3868 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
3869 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
3870 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
3871 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
3872 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
3873 For reproducible results, the list should be empty when passed to
3874 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
3875 expressions by passing in the result of a previous match.
3876
3877 The matching algorithm works as follows:
3878
3879 @itemize
3880 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
3881   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
3882   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
3883   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
3884 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
3885   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
3886   etc.).
3887 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
3888   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
3889 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
3890   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
3891   of the pattern.
3892 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
3893   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
3894 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
3895   match the corresponding subexpression of the pattern.
3896 @end itemize
3897
3898 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
3899 account for their commutativity and associativity:
3900
3901 @itemize
3902 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
3903   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
3904   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
3905   way.
3906 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
3907   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
3908   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
3909   further matches.
3910 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
3911   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
3912   which case this wildcard matches the remaining terms.
3913 @end itemize
3914
3915 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
3916 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
3917 ambiguous results.
3918
3919 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
3920 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
3921 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
3922
3923 @example
3924 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
3925 @{@}
3926 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
3927 FAIL
3928 > match((x+y)^a,$1^$2);
3929 @{$1==x+y,$2==a@}
3930 > match((x+y)^a,$1^$1);
3931 FAIL
3932 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
3933 @{$1==x+y@}
3934 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
3935 @{$1==x+y,$2==x+y@}
3936 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
3937 @{$1==a@}
3938 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
3939 @{$1==c,$2==b@}
3940   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
3941 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
3942   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
3943    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
3944    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
3945    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
3946    fail.)
3947 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
3948   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
3949    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
3950 > match(a+b+c+d+e+f,c);
3951 FAIL
3952 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
3953 @{$0==a+e+b+f+d@}
3954 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
3955 @{$0==a+b+f+d@}
3956 > match(a+b,a+b+$0);
3957 @{$0==0@}
3958 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
3959 FAIL
3960   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
3961    even though a==a^1.)
3962 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
3963 @{$0==x@}
3964 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
3965 @{$0==x^2@}
3966 @end example
3967
3968 @subsection Matching parts of expressions
3969 @cindex @code{has()}
3970 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
3971 member function
3972
3973 @example
3974 bool ex::has(const ex & pattern);
3975 @end example
3976
3977 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
3978 by any of its subexpressions.
3979
3980 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
3981 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
3982
3983 @example
3984 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
3985 1
3986 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
3987 0
3988   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
3989    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
3990 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
3991 1
3992   (But this is possible.)
3993 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
3994 0
3995   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
3996    which "x+y" is not a subexpression.)
3997 > has(x+1,x^$1);
3998 0
3999   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4000    "x^something".)
4001 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4002 1
4003 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4004 0
4005   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4006    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4007    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4008 @end example
4009
4010 @cindex @code{find()}
4011 The method
4012
4013 @example
4014 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4015 @end example
4016
4017 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4018 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4019 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4020 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4021 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4022
4023 @example
4024 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4025 @{x@}
4026 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4027 @{@}
4028 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4029 @{x^3,x^2@}
4030   (Note the absence of "x".)
4031 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4032 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4033 > find(%,sin($1));
4034 @{sin(y),sin(x)@}
4035 @end example
4036
4037 @subsection Substituting expressions
4038 @cindex @code{subs()}
4039 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4040 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4041 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4042 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4043 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4044
4045 Some examples:
4046
4047 @example
4048 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4049 b^3+a^3+(x+y)^3
4050 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4051 b^4+a^4+(x+y)^4
4052 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4053 (a+b+c)^2
4054 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4055 (x+c)^2
4056 > subs(a+2*b,a+b==x);
4057 a+2*b
4058 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4059 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4060 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4061 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4062 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4063 cos(1+cos(x))
4064 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4065 a+b
4066 @end example
4067
4068 The last example would be written in C++ in this way:
4069
4070 @example
4071 @{
4072     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4073     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4074     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4075     cout << e.expand() << endl;
4076      // -> a+b
4077 @}
4078 @end example
4079
4080 @subsection Algebraic substitutions
4081 Supplying the @code{subs_options::algebraic} option to @code{subs()}
4082 enables smarter, algebraic substitutions in products and powers. If you want
4083 to substitute some factors of a product, you only need to list these factors
4084 in your pattern. Furthermore, if an (integer) power of some expression occurs
4085 in your pattern and in the expression that you want the substitution to occur
4086 in, it can be substituted as many times as possible, without getting negative
4087 powers.
4088
4089 An example clarifies it all (hopefully):
4090
4091 @example
4092 cout << (a*a*a*a+b*b*b*b+pow(x+y,4)).subs(wild()*wild()==pow(wild(),3),
4093                                         subs_options::algebraic) << endl;
4094 // --> (y+x)^6+b^6+a^6
4095
4096 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b==x,subs_options::algebraic) << endl;
4097 // --> (c+b+a)^2
4098 // Powers and products are smart, but addition is just the same.
4099
4100 cout << ((a+b+c)*(a+b+c)).subs(a+b+wild()==x+wild(), subs_options::algebraic)
4101                                                                       << endl;
4102 // --> (x+c)^2
4103 // As I said: addition is just the same.
4104
4105 cout << (pow(a,5)*pow(b,7)+2*b).subs(b*b*a==x,subs_options::algebraic) << endl;
4106 // --> x^3*b*a^2+2*b
4107
4108 cout << (pow(a,-5)*pow(b,-7)+2*b).subs(1/(b*b*a)==x,subs_options::algebraic)
4109                                                                        << endl;
4110 // --> 2*b+x^3*b^(-1)*a^(-2)
4111
4112 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(x==a,subs_options::algebraic) << endl;
4113 // --> -1-2*a^2+4*a^3+5*a
4114
4115 cout << (4*x*x*x-2*x*x+5*x-1).subs(pow(x,wild())==pow(a,wild()),
4116                                 subs_options::algebraic) << endl;
4117 // --> -1+5*x+4*x^3-2*x^2
4118 // You should not really need this kind of patterns very often now.
4119 // But perhaps this it's-not-a-bug-it's-a-feature (c/sh)ould still change.
4120
4121 cout << ex(sin(1+sin(x))).subs(sin(wild())==cos(wild()),
4122                                 subs_options::algebraic) << endl;
4123 // --> cos(1+cos(x))
4124
4125 cout << expand((a*sin(x+y)*sin(x+y)+a*cos(x+y)*cos(x+y)+b)
4126         .subs((pow(cos(wild()),2)==1-pow(sin(wild()),2)),
4127                                 subs_options::algebraic)) << endl;
4128 // --> b+a
4129 @end example
4130
4131
4132 @node Applying a Function on Subexpressions, Visitors and Tree Traversal, Pattern Matching and Advanced Substitutions, Methods and Functions
4133 @c    node-name, next, previous, up
4134 @section Applying a Function on Subexpressions
4135 @cindex tree traversal
4136 @cindex @code{map()}
4137
4138 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4139 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4140 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4141 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4142 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4143 to do this manually which usually results in code like this:
4144
4145 @example
4146 ex calc_trace(ex e)
4147 @{
4148     if (is_a<matrix>(e))
4149         return ex_to<matrix>(e).trace();
4150     else if (is_a<add>(e)) @{
4151         ex sum = 0;
4152         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4153             sum += calc_trace(e.op(i));
4154         return sum;
4155     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4156         ...
4157     @} else @{
4158         ...
4159     @}
4160 @}
4161 @end example
4162
4163 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4164 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4165 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4166 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4167 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4168
4169 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4170 operations:
4171
4172 @example
4173 ex ex::map(map_function & f) const;
4174 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4175 @end example
4176
4177 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4178 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4179 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4180 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4181 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4182 non-recursively.
4183
4184 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4185 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4186 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4187 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4188 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4189
4190 @example
4191 struct calc_trace : public map_function @{
4192     ex operator()(const ex &e)
4193     @{
4194         if (is_a<matrix>(e))
4195             return ex_to<matrix>(e).trace();
4196         else if (is_a<mul>(e)) @{
4197             ...
4198         @} else
4199             return e.map(*this);
4200     @}
4201 @};
4202 @end example
4203
4204 This function object could then be used like this:
4205
4206 @example
4207 @{
4208     ex M = ... // expression with matrices
4209     calc_trace do_trace;
4210     ex tr = do_trace(M);
4211 @}
4212 @end example
4213
4214 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4215 terms in a variable from an expanded polynomial:
4216
4217 @example
4218 struct map_rem_quad : public map_function @{
4219     ex var;
4220     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4221
4222     ex operator()(const ex & e)
4223     @{
4224         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4225             return e.map(*this);
4226         else if (is_a<power>(e) && 
4227                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4228             return 0;
4229         else
4230             return e;
4231     @}
4232 @};
4233
4234 ...
4235
4236 @{
4237     symbol x("x"), y("y");
4238
4239     ex e;
4240     for (int i=0; i<8; i++)
4241         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4242     cout << e << endl;
4243      // -> 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
4244
4245     map_rem_quad rem_quad(x);
4246     cout << rem_quad(e) << endl;
4247      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4248 @}
4249 @end example
4250
4251 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4252 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4253 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4254 acts as the placeholder for the operands:
4255
4256 @example
4257 > map(a*b,sin($0));
4258 sin(a)*sin(b)
4259 > map(a+2*b,sin($0));
4260 sin(a)+sin(2*b)
4261 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4262 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4263 @end example
4264
4265 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4266 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4267 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4268
4269 @example
4270 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4271 @{0,0,0@}
4272   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4273   to "map(@{a,b,c@},0)".
4274 @end example
4275
4276
4277 @node Visitors and Tree Traversal, Polynomial Arithmetic, Applying a Function on Subexpressions, Methods and Functions
4278 @c    node-name, next, previous, up
4279 @section Visitors and Tree Traversal
4280 @cindex tree traversal
4281 @cindex @code{visitor} (class)
4282 @cindex @code{accept()}
4283 @cindex @code{visit()}
4284 @cindex @code{traverse()}
4285 @cindex @code{traverse_preorder()}
4286 @cindex @code{traverse_postorder()}
4287
4288 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4289 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4290 indices with variance you always want the covariant version returned.
4291
4292 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4293 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4294 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4295 with variance, one for plain ones).
4296
4297 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4298 such as the following:
4299
4300 @example
4301 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4302 @{
4303     if (is_a<varidx>(e)) @{
4304         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4305         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4306     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4307         l.append(e);
4308     @} else @{
4309         size_t n = e.nops();
4310         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4311             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4312     @}
4313 @}
4314
4315 lst gather_indices(const ex & e)
4316 @{
4317     lst l;
4318     gather_indices_helper(e, l);
4319     l.sort();
4320     l.unique();
4321     return l;
4322 @}
4323 @end example
4324
4325 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4326 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4327 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4328
4329 @example
4330     if (is_a<idx>(e)) @{
4331       ...
4332     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4333       ...
4334 @end example
4335
4336 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4337 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4338 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4339 executed.
4340
4341 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4342 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4343 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4344 write a function that required a different implementation for nearly
4345 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4346
4347 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4348 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4349 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4350 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4351 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4352 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4353 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4354 presented this would be impractical.
4355
4356 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4357 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4358 variation, described in detail in
4359 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4360 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4361 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4362 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4363 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4364 object that @code{accept()} was being invoked on.
4365
4366 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4367 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4368 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4369 each class.
4370
4371 A call of
4372
4373 @example
4374 void ex::accept(visitor & v) const;
4375 @end example
4376
4377 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4378 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4379 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4380
4381 Here is an example of a visitor:
4382
4383 @example
4384 class my_visitor
4385  : public visitor,          // this is required
4386    public add::visitor,     // visit add objects
4387    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4388    public basic::visitor    // visit basic objects
4389 @{
4390     void visit(const add & x)
4391     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4392
4393     void visit(const numeric & x)
4394     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4395
4396     void visit(const basic & x)
4397     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4398 @};
4399 @end example
4400
4401 which can be used as follows:
4402
4403 @example
4404 ...
4405     symbol x("x");
4406     ex e1 = 42;
4407     ex e2 = 4*x-3;
4408     ex e3 = 8*x;
4409
4410     my_visitor v;
4411     e1.accept(v);
4412      // prints "called with a numeric object"
4413     e2.accept(v);
4414      // prints "called with an add object"
4415     e3.accept(v);
4416      // prints "called with a basic object"
4417 ...
4418 @end example
4419
4420 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4421 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4422
4423 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4424 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4425 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4426 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4427 hierarchies of visitors.
4428
4429 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4430
4431 @example
4432 class gather_indices_visitor
4433  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4434 @{
4435     lst l;
4436
4437     void visit(const idx & i)
4438     @{
4439         l.append(i);
4440     @}
4441
4442     void visit(const varidx & vi)
4443     @{
4444         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4445     @}
4446
4447 public:
4448     const lst & get_result() // utility function
4449     @{
4450         l.sort();
4451         l.unique();
4452         return l;
4453     @}
4454 @};
4455 @end example
4456
4457 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4458 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4459
4460 @example
4461 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4462 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4463 void ex::traverse(visitor & v) const;
4464 @end example
4465
4466 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4467 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4468 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4469 @code{traverse_preorder()}.
4470
4471 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4472 and @code{traverse()}:
4473
4474 @example
4475 lst gather_indices(const ex & e)
4476 @{
4477     gather_indices_visitor v;
4478     e.traverse(v);
4479     return v.get_result();
4480 @}
4481 @end example
4482
4483 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4484 traversal:
4485
4486 @example
4487 lst gather_indices(const ex & e)
4488 @{
4489     gather_indices_visitor v;
4490     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4491          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4492         i->accept(v);
4493     @}
4494     return v.get_result();
4495 @}
4496 @end example
4497
4498
4499 @node Polynomial Arithmetic, Rational Expressions, Visitors and Tree Traversal, Methods and Functions
4500 @c    node-name, next, previous, up
4501 @section Polynomial arithmetic
4502
4503 @subsection Expanding and collecting
4504 @cindex @code{expand()}
4505 @cindex @code{collect()}
4506 @cindex @code{collect_common_factors()}
4507
4508 A polynomial in one or more variables has many equivalent
4509 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
4510 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
4511 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
4512 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
4513 representations are the recursive ones where one collects for exponents
4514 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
4515 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
4516 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
4517 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
4518 x*z}.
4519
4520 To bring an expression into expanded form, its method
4521
4522 @example
4523 ex ex::expand(unsigned options = 0);
4524 @end example
4525
4526 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
4527 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
4528 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
4529 orderings of terms in such sums!
4530
4531 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
4532 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
4533 being polynomials in the remaining variables.  The method
4534 @code{collect()} accomplishes this task:
4535
4536 @example
4537 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
4538 @end example
4539
4540 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
4541 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
4542 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
4543 by the @code{distributed} flag.
4544
4545 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
4546 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
4547 coefficients properly.
4548
4549 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
4550 together with @code{find()}:
4551
4552 @example
4553 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
4554 d*p*sin(x)+p*sin(x)+q*d*sin(x)+q*sin(y)+d*sin(x)+q*d*sin(y)+sin(y)+d*sin(y)+q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
4555 > collect(a,@{p,q@});
4556 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
4557 > collect(a,find(a,sin($1)));
4558 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
4559 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
4560 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
4561 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
4562 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
4563 @end example
4564
4565 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
4566 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
4567
4568 @example
4569 ex collect_common_factors(const ex & e);
4570 @end example
4571
4572 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
4573 factors which are already explicitly present:
4574
4575 @example
4576 > collect_common_factors(a*x+a*y);
4577 (x+y)*a
4578 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
4579 a*(2*x*y+y^2+x^2)
4580 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
4581 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
4582 @end example
4583
4584 @subsection Degree and coefficients
4585 @cindex @code{degree()}
4586 @cindex @code{ldegree()}
4587 @cindex @code{coeff()}
4588
4589 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
4590 methods
4591
4592 @example
4593 int ex::degree(const ex & s);
4594 int ex::ldegree(const ex & s);
4595 @end example
4596
4597 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
4598 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
4599 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
4600 an expanded polynomial you use
4601
4602 @example
4603 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
4604 @end example
4605
4606 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
4607
4608 @example
4609 ex ex::lcoeff(const ex & s);
4610 ex ex::tcoeff(const ex & s);
4611 @end example
4612
4613 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
4614 respectively.
4615
4616 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
4617 polynomial is analyzed:
4618
4619 @example
4620 @{
4621     symbol x("x"), y("y");
4622     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
4623                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
4624     ex Poly = PolyInp.expand();
4625     
4626     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
4627         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
4628              << Poly.coeff(x,i) << endl;
4629     @}
4630     cout << "As polynomial in y: " 
4631          << Poly.collect(y) << endl;
4632 @}
4633 @end example
4634
4635 When run, it returns an output in the following fashion:
4636
4637 @example
4638 The x^0-coefficient is y^2+11*y
4639 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
4640 The x^2-coefficient is -1
4641 The x^3-coefficient is 4*y
4642 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
4643 @end example
4644
4645 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
4646 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
4647 within the user's sphere of influence.
4648
4649 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
4650 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
4651 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
4652 constants, functions and indexed objects as well:
4653
4654 @example
4655 @{
4656     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
4657     idx i(symbol("i"), 3);
4658
4659     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
4660     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
4661      // -> 4
4662     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
4663      // -> -4*cos(x)
4664
4665     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
4666     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
4667     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
4668      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
4669 @}
4670 @end example
4671
4672
4673 @subsection Polynomial division
4674 @cindex polynomial division
4675 @cindex quotient
4676 @cindex remainder
4677 @cindex pseudo-remainder
4678 @cindex @code{quo()}
4679 @cindex @code{rem()}
4680 @cindex @code{prem()}
4681 @cindex @code{divide()}
4682
4683 The two functions
4684
4685 @example
4686 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4687 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4688 @end example
4689
4690 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
4691 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
4692
4693 The additional function
4694
4695 @example
4696 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
4697 @end example
4698
4699 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
4700 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
4701
4702 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
4703
4704 @example
4705 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
4706 @end example
4707
4708 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
4709 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
4710 in which case the value of @code{q} is undefined.
4711
4712
4713 @subsection Unit, content and primitive part
4714 @cindex @code{unit()}
4715 @cindex @code{content()}
4716 @cindex @code{primpart()}
4717
4718 The methods
4719
4720 @example
4721 ex ex::unit(const ex & x);
4722 ex ex::content(const ex & x);
4723 ex ex::primpart(const ex & x);
4724 @end example
4725
4726 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
4727 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
4728 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
4729 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
4730 content parts). The product of unit, content, and primitive part is the
4731 original polynomial.
4732
4733
4734 @subsection GCD, LCM and resultant
4735 @cindex GCD
4736 @cindex LCM
4737 @cindex @code{gcd()}
4738 @cindex @code{lcm()}
4739
4740 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
4741 multiple have the synopsis
4742
4743 @example
4744 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
4745 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
4746 @end example
4747
4748 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
4749 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
4750 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
4751 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
4752 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}.
4753
4754 @example
4755 #include <ginac/ginac.h>
4756 using namespace GiNaC;
4757
4758 int main()
4759 @{
4760     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4761     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
4762     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
4763
4764     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
4765     // x + 5*y + 4*z
4766     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
4767     // 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
4768 @}
4769 @end example
4770
4771 @cindex resultant
4772 @cindex @code{resultant()}
4773
4774 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
4775 It is always computed with respect to a specific symbol within the
4776 expressions. The function has the interface
4777
4778 @example
4779 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
4780 @end example
4781
4782 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
4783 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
4784 @code{y}, respectively:
4785
4786 @example
4787 #include <ginac/ginac.h>
4788 using namespace GiNaC;
4789
4790 int main()
4791 @{
4792     symbol x("x"), y("y");
4793
4794     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
4795     ex r;
4796     
4797     r = resultant(e1, e2, x); 
4798     // -> 1+2*y^6
4799     r = resultant(e1, e2, y); 
4800     // -> 1-4*x^3+4*x^6
4801 @}
4802 @end example
4803
4804 @subsection Square-free decomposition
4805 @cindex square-free decomposition
4806 @cindex factorization
4807 @cindex @code{sqrfree()}
4808
4809 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
4810 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
4811 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
4812 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
4813 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
4814 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
4815 one, too:
4816 @example
4817 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
4818 @end example
4819 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
4820 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
4821 some care with subsequent processing of the result:
4822 @example
4823     ...
4824     symbol x("x"), y("y");
4825     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
4826
4827     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
4828      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
4829
4830     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
4831      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
4832
4833     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
4834      // -> depending on luck, any of the above
4835     ...
4836 @end example
4837 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
4838 with this method.
4839
4840
4841 @node Rational Expressions, Symbolic Differentiation, Polynomial Arithmetic, Methods and Functions
4842 @c    node-name, next, previous, up
4843 @section Rational expressions
4844
4845 @subsection The @code{normal} method
4846 @cindex @code{normal()}
4847 @cindex simplification
4848 @cindex temporary replacement
4849
4850 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
4851 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
4852 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
4853 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
4854 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
4855 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
4856
4857 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
4858 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
4859 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
4860 functions before performing the normalization, and re-substituting these
4861 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
4862 @code{.to_rational()}, described below.
4863
4864 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
4865 simplified in this little code snippet:
4866
4867 @example
4868 @{
4869     symbol x("x");
4870     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
4871     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
4872     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
4873     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
4874 @}
4875 @end example
4876
4877 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
4878 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
4879 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
4880
4881
4882 @subsection Numerator and denominator
4883 @cindex numerator
4884 @cindex denominator
4885 @cindex @code{numer()}
4886 @cindex @code{denom()}
4887 @cindex @code{numer_denom()}
4888
4889 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
4890
4891 @example
4892 ex ex::numer();
4893 ex ex::denom();
4894 ex ex::numer_denom();
4895 @end example
4896
4897 These functions will first normalize the expression as described above and
4898 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
4899 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
4900 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
4901
4902
4903 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
4904 @cindex @code{to_polynomial()}
4905 @cindex @code{to_rational()}
4906
4907 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
4908 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
4909 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
4910 above. You do this by calling
4911
4912 @example
4913 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
4914 ex ex::to_polynomial(lst & l);
4915 @end example
4916 or
4917 @example
4918 ex ex::to_rational(exmap & m);
4919 ex ex::to_rational(lst & l);
4920 @end example
4921
4922 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
4923 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
4924 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
4925 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
4926 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
4927 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
4928
4929 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
4930 is probably best illustrated with an example:
4931
4932 @example
4933 @{
4934     symbol x("x"), y("y");
4935     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
4936     cout << a << endl;
4937
4938     lst lp;
4939     ex p = a.to_polynomial(lp);
4940     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
4941      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
4942      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
4943
4944     lst lr;
4945     ex r = a.to_rational(lr);
4946     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
4947      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
4948      //   with @{symbol4==sin(x)@}
4949 @}
4950 @end example
4951
4952 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
4953
4954 @example
4955 @{
4956     symbol x("x");
4957     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
4958     ex b = sin(x) + cos(x);
4959     ex q;
4960     exmap m;
4961     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
4962     cout << q.subs(m) << endl;
4963 @}
4964 @end example
4965
4966
4967 @node Symbolic Differentiation, Series Expansion, Rational Expressions, Methods and Functions
4968 @c    node-name, next, previous, up
4969 @section Symbolic differentiation
4970 @cindex differentiation
4971 @cindex @code{diff()}
4972 @cindex chain rule
4973 @cindex product rule
4974
4975 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
4976 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
4977 the derivatives of all the monomials:
4978
4979 @example
4980 @{
4981     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4982     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
4983
4984     cout << P.diff(x,2) << endl;
4985      // -> 20*x^3 + 2
4986     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
4987      // -> 1
4988     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
4989      // -> 0
4990 @}
4991 @end example
4992
4993 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
4994 returns the @var{n}th derivative.
4995
4996 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
4997 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
4998 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
4999 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5000 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5001 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5002 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5003 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5004 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5005 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5006 lines:
5007
5008 @cindex Euler numbers
5009 @example
5010 #include <ginac/ginac.h>
5011 using namespace GiNaC;
5012
5013 ex EulerNumber(unsigned n)
5014 @{
5015     symbol x;
5016     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5017     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5018 @}
5019
5020 int main()
5021 @{
5022     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5023         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5024     return 0;
5025 @}
5026 @end example
5027
5028 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5029 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5030 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5031
5032
5033 @node Series Expansion, Symmetrization, Symbolic Differentiation, Methods and Functions
5034 @c    node-name, next, previous, up
5035 @section Series expansion
5036 @cindex @code{series()}
5037 @cindex Taylor expansion
5038 @cindex Laurent expansion
5039 @cindex @code{pseries} (class)
5040 @cindex @code{Order()}
5041
5042 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5043 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5044 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5045 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5046 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5047 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5048 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5049 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5050 term).  A sample application from special relativity could read:
5051
5052 @example
5053 #include <ginac/ginac.h>
5054 using namespace std;
5055 using namespace GiNaC;
5056
5057 int main()
5058 @{
5059     symbol v("v"), c("c");
5060     
5061     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5062     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5063     
5064     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5065          << mass_nonrel << endl;
5066     
5067     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5068          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5069 @}
5070 @end example
5071
5072 Only calling the series method makes the last output simplify to
5073 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5074 series raised to the power @math{-2}.
5075
5076 @cindex Machin's formula
5077 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5078 value of Archimedes' constant
5079 @tex
5080 $\pi$
5081 @end tex
5082 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5083 using John Machin's amazing formula
5084 @tex
5085 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5086 @end tex
5087 @ifnottex
5088 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5089 @end ifnottex
5090 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5091 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5092 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5093 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5094 order term with it and the question arises what the system is supposed
5095 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5096 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5097 term off:
5098
5099 @example
5100 #include <ginac/ginac.h>
5101 using namespace GiNaC;
5102
5103 ex machin_pi(int degr)
5104 @{
5105     symbol x;
5106     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5107     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5108                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5109     return pi_approx;
5110 @}
5111
5112 int main()
5113 @{
5114     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5115     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5116     ex pi_frac;
5117     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5118         pi_frac = machin_pi(i);
5119         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5120              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5121     @}
5122     return 0;
5123 @}
5124 @end example
5125
5126 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5127 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5128 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5129 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5130 program, it will type out:
5131
5132 @example
5133 2:      3804/1195
5134         3.1832635983263598326
5135 4:      5359397032/1706489875
5136         3.1405970293260603143
5137 6:      38279241713339684/12184551018734375
5138         3.141621029325034425
5139 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5140         3.141591772182177295
5141 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5142         3.1415926824043995174
5143 @end example
5144
5145
5146 @node Symmetrization, Built-in Functions, Series Expansion, Methods and Functions
5147 @c    node-name, next, previous, up
5148 @section Symmetrization
5149 @cindex @code{symmetrize()}
5150 @cindex @code{antisymmetrize()}
5151 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5152
5153 The three methods
5154
5155 @example
5156 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5157 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5158 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5159 @end example
5160
5161 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5162 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5163 weighted by the number of permutations.
5164
5165 The three additional methods
5166
5167 @example
5168 ex ex::symmetrize();
5169 ex ex::antisymmetrize();
5170 ex ex::symmetrize_cyclic();
5171 @end example
5172
5173 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5174
5175 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5176 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5177
5178 @example
5179 @{
5180     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5181     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5182                                            
5183     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5184      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5185     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5186      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5187     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5188      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5189 @}
5190 @end example
5191
5192 @node Built-in Functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and Functions
5193 @c    node-name, next, previous, up
5194 @section Predefined mathematical functions
5195 @c
5196 @subsection Overview
5197
5198 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5199
5200 @cartouche
5201 @multitable @columnfractions .30 .70
5202 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5203 @item @code{abs(x)}
5204 @tab absolute value
5205 @cindex @code{abs()}
5206 @item @code{csgn(x)}
5207 @tab complex sign
5208 @cindex @code{conjugate()}
5209 @item @code{conjugate(x)}
5210 @tab complex conjugation
5211 @cindex @code{csgn()}
5212 @item @code{sqrt(x)}
5213 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5214 @cindex @code{sqrt()}
5215 @item @code{sin(x)}
5216 @tab sine
5217 @cindex @code{sin()}
5218 @item @code{cos(x)}
5219 @tab cosine
5220 @cindex @code{cos()}
5221 @item @code{tan(x)}
5222 @tab tangent
5223 @cindex @code{tan()}
5224 @item @code{asin(x)}
5225 @tab inverse sine
5226 @cindex @code{asin()}
5227 @item @code{acos(x)}
5228 @tab inverse cosine
5229 @cindex @code{acos()}
5230 @item @code{atan(x)}
5231 @tab inverse tangent
5232 @cindex @code{atan()}
5233 @item @code{atan2(y, x)}
5234 @tab inverse tangent with two arguments
5235 @item @code{sinh(x)}
5236 @tab hyperbolic sine
5237 @cindex @code{sinh()}
5238 @item @code{cosh(x)}
5239 @tab hyperbolic cosine
5240 @cindex @code{cosh()}
5241 @item @code{tanh(x)}
5242 @tab hyperbolic tangent
5243 @cindex @code{tanh()}
5244 @item @code{asinh(x)}
5245 @tab inverse hyperbolic sine
5246 @cindex @code{asinh()}
5247 @item @code{acosh(x)}
5248 @tab inverse hyperbolic cosine
5249 @cindex @code{acosh()}
5250 @item @code{atanh(x)}
5251 @tab inverse hyperbolic tangent
5252 @cindex @code{atanh()}
5253 @item @code{exp(x)}
5254 @tab exponential function
5255 @cindex @code{exp()}
5256 @item @code{log(x)}
5257 @tab natural logarithm
5258 @cindex @code{log()}
5259 @item @code{Li2(x)}
5260 @tab dilogarithm
5261 @cindex @code{Li2()}
5262 @item @code{Li(m, x)}
5263 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5264 @cindex @code{Li()}
5265 @item @code{S(n, p, x)}
5266 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5267 @cindex @code{S()}
5268 @item @code{H(m, x)}
5269 @tab harmonic polylogarithm
5270 @cindex @code{H()}
5271 @item @code{zeta(m)}
5272 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5273 @cindex @code{zeta()}
5274 @item @code{zeta(m, s)}
5275 @tab alternating Euler sum
5276 @cindex @code{zeta()}
5277 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5278 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5279 @item @code{tgamma(x)}
5280 @tab gamma function
5281 @cindex @code{tgamma()}
5282 @cindex gamma function
5283 @item @code{lgamma(x)}
5284 @tab logarithm of gamma function
5285 @cindex @code{lgamma()}
5286 @item @code{beta(x, y)}
5287 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5288 @cindex @code{beta()}
5289 @item @code{psi(x)}
5290 @tab psi (digamma) function
5291 @cindex @code{psi()}
5292 @item @code{psi(n, x)}
5293 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5294 @item @code{factorial(n)}
5295 @tab factorial function @math{n!}
5296 @cindex @code{factorial()}
5297 @item @code{binomial(n, k)}
5298 @tab binomial coefficients
5299 @cindex @code{binomial()}
5300 @item @code{Order(x)}
5301 @tab order term function in truncated power series
5302 @cindex @code{Order()}
5303 @end multitable
5304 @end cartouche
5305
5306 @cindex branch cut
5307 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5308 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5309 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5310 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5311 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5312 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5313 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5314 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5315 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5316 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5317 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5318 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5319 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5320 compatible with C99.
5321
5322 @node Multiple polylogarithms, Complex Conjugation, Built-in Functions, Methods and Functions
5323 @c    node-name, next, previous, up
5324 @subsection Multiple polylogarithms
5325
5326 @cindex polylogarithm
5327 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5328 @cindex harmonic polylogarithm
5329 @cindex multiple zeta value
5330 @cindex alternating Euler sum
5331 @cindex multiple polylogarithm
5332
5333 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5334 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5335 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5336 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5337 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5338 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5339
5340 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5341 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5342 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}.
5343
5344 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5345 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5346 for the argument @code{x} as well.
5347 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5348 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5349 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5350 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5351 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5352
5353 The functions print in LaTeX format as
5354 @tex
5355 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5356 @end tex
5357 @tex
5358 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5359 @end tex
5360 @tex
5361 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5362 @end tex
5363 @tex
5364 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5365 @end tex
5366 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5367 are printed with a line above, e.g.
5368 @tex
5369 $\zeta(5,\overline{2})$.
5370 @end tex
5371 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5372
5373 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5374 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5375 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5376 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5377
5378 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5379 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5380 the series representation. This means
5381 @tex
5382 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5383 @end tex
5384 @tex
5385 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5386 @end tex
5387 @tex
5388 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5389 @end tex
5390 So in comparison to the referenced publications the order of indices and arguments for @code{Li}
5391 is reversed.
5392
5393 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5394 @code{s} in @code{zeta} and @code{m} in @code{H}. Since @code{s} will be interpreted as the sequence
5395 of signs for the corresponding indices @code{m}, it must contain 1 or -1, e.g.
5396 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5397 @tex
5398 $\zeta(\overline{3},4)$.
5399 @end tex
5400 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5401 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5402 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
5403 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5404 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5405 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5406 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5407
5408 @example
5409 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5410 S(2,2,x)
5411 > H(@{-3,2@},1);
5412 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5413 > S(3,1,1);
5414 1/90*Pi^4
5415 @end example
5416
5417 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5418 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5419 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5420 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5421 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
5422 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
5423
5424 @example
5425 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
5426 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
5427 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
5428 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
5429 @end example
5430
5431 Every function apart from the multiple polylogarithm @code{Li} can be numerically evaluated for
5432 arbitrary real or complex arguments. @code{Li} only evaluates if for all arguments
5433 @tex
5434 $x_i$ the condition
5435 @end tex
5436 @tex
5437 $x_1x_2\cdots x_i < 1$ holds.
5438 @end tex
5439
5440 @example
5441 > Digits=100;
5442 100
5443 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
5444 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
5445 @end example
5446
5447 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
5448 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
5449
5450 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
5451 unevaluated, e.g.
5452 @tex
5453 $\zeta(1)$.
5454 @end tex
5455 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
5456 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
5457 cancellations of divergencies happen.
5458
5459 Useful publications:
5460
5461 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
5462 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
5463
5464 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
5465 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
5466
5467 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
5468 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
5469
5470 @node Complex Conjugation, Solving Linear Systems of Equations, Multiple polylogarithms, Methods and Functions
5471 @c    node-name, next, previous, up
5472 @section Complex Conjugation
5473 @c
5474 @cindex @code{conjugate()}
5475
5476 The method
5477
5478 @example
5479 ex ex::conjugate();
5480 @end example
5481
5482 returns the complex conjugate of the expression. For all built-in functions and objects the
5483 conjugation gives the expected results:
5484
5485 @example
5486 @{
5487     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
5488     symbol x("x");
5489     realsymbol y("y");
5490                                            
5491     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
5492      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
5493     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
5494      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
5495 @}
5496 @end example
5497
5498 For symbols in the complex domain the conjugation can not be evaluated and the GiNaC function
5499 @code{conjugate} is returned. GiNaC functions conjugate by applying the conjugation to their
5500 arguments. This is the default strategy. If you want to define your own functions and want to
5501 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method for your function
5502 (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an example).
5503
5504 @node Solving Linear Systems of Equations, Input/Output, Complex Conjugation, Methods and Functions
5505 @c    node-name, next, previous, up
5506 @section Solving Linear Systems of Equations
5507 @cindex @code{lsolve()}
5508
5509 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
5510 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
5511 needs to be solved:
5512
5513 @example
5514 ex lsolve(const ex &eqns, const ex &symbols, unsigned options=solve_algo::automatic);
5515 @end example
5516
5517 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
5518 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
5519 indeterminates.  (@xref{The Class Hierarchy}, for an exposition of class
5520 @code{lst}).
5521
5522 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
5523 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
5524
5525 @example
5526 @{
5527     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
5528     lst eqns, vars;
5529     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
5530     vars = x, y;
5531     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
5532      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
5533 @end example
5534
5535 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
5536 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
5537 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
5538 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
5539 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
5540 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
5541 around that method.
5542
5543
5544 @node Input/Output, Extending GiNaC, Solving Linear Systems of Equations, Methods and Functions
5545 @c    node-name, next, previous, up
5546 @section Input and output of expressions
5547 @cindex I/O
5548
5549 @subsection Expression output
5550 @cindex printing
5551 @cindex output of expressions
5552
5553 Expressions can simply be written to any stream:
5554
5555 @example
5556 @{
5557     symbol x("x");
5558     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
5559     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5560     // ...
5561 @end example
5562
5563 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
5564 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
5565 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
5566 is printed as @samp{x^2}).
5567
5568 It is possible to print expressions in a number of different formats with
5569 a set of stream manipulators;
5570
5571 @example
5572 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
5573 std::ostream & latex(std::ostream & os);
5574 std::ostream & tree(std::ostream & os);
5575 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
5576 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
5577 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
5578 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
5579 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
5580 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
5581 @end example
5582
5583 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
5584 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
5585 @code{print_csrc()} functions, respectively.
5586
5587 @cindex @code{dflt}
5588 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
5589 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
5590
5591 @example
5592     // ...
5593     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from now on
5594     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5595     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
5596     cout << dflt;             // revert to default output format
5597     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
5598     // ...
5599 @end example
5600
5601 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
5602 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
5603
5604 @example
5605     // ...
5606     ostringstream s;
5607     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
5608     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
5609     // ...
5610 @end example
5611
5612 @cindex @code{csrc}
5613 @cindex @code{csrc_float}
5614 @cindex @code{csrc_double}
5615 @cindex @code{csrc_cl_N}
5616 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
5617 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
5618 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
5619 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
5620 classes provided by the CLN library):
5621
5622 @example
5623     // ...
5624     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
5625     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
5626     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
5627     // ...
5628 @end example
5629
5630 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
5631 @code{x*x}):
5632
5633 @example
5634 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
5635 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
5636 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
5637 @end example
5638
5639 @cindex @code{tree}
5640 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
5641 expression for debugging purposes:
5642
5643 @example
5644     // ...
5645     cout << tree << e;
5646 @}
5647 @end example
5648
5649 produces
5650
5651 @example
5652 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5653     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
5654         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
5655         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
5656     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
5657     -----
5658     overall_coeff
5659     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
5660     =====
5661 @end example
5662
5663 @cindex @code{latex}
5664 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
5665 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
5666 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
5667 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
5668 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
5669 constructor.
5670
5671 For example, the code snippet
5672
5673 @example
5674 @{
5675     symbol x("x", "\\circ");
5676     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
5677     cout << latex << e << endl;
5678 @}
5679 @end example
5680
5681 will print
5682
5683 @example
5684     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}+\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
5685 @end example
5686
5687 @cindex @code{index_dimensions}
5688 @cindex @code{no_index_dimensions}
5689 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
5690 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
5691 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
5692 formats:
5693
5694 @example
5695 @{
5696     symbol x("x"), y("y");
5697     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
5698     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
5699
5700     cout << e << endl;
5701      // prints 'x~mu*y~nu'
5702     cout << index_dimensions << e << endl;
5703      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
5704     cout << no_index_dimensions << e << endl;
5705      // prints 'x~mu*y~nu'
5706 @}
5707 @end example
5708
5709
5710 @cindex Tree traversal
5711 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
5712 with other algebra systems or for producing code for different
5713 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
5714
5715 @example
5716 static void my_print(const ex & e)
5717 @{
5718     if (is_a<function>(e))
5719         cout << ex_to<function>(e).get_name();
5720     else
5721         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
5722     cout << "(";
5723     size_t n = e.nops();
5724     if (n)
5725         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
5726             my_print(e.op(i));
5727             if (i != n-1)
5728                 cout << ",";
5729         @}
5730     else
5731         cout << e;
5732     cout << ")";
5733 @}
5734
5735 int main()
5736 @{
5737     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
5738     return 0;
5739 @}
5740 @end example
5741
5742 This will produce
5743
5744 @example
5745 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
5746 symbol(y))),numeric(-2)))
5747 @end example
5748
5749 If you need an output format that makes it possible to accurately
5750 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
5751 object factory, you should consider storing the expression in an
5752 @code{archive} object and reading the object properties from there.
5753 See the section on archiving for more information.
5754
5755
5756 @subsection Expression input
5757 @cindex input of expressions
5758
5759 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
5760 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
5761 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
5762 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
5763 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
5764
5765 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
5766 list of symbols to be used:
5767
5768 @example
5769 @{
5770     symbol x("x"), y("y");
5771     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
5772 @}
5773 @end example
5774
5775 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
5776 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
5777 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
5778 the list it will throw an exception.
5779
5780 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
5781
5782 @example
5783 #include <iostream>
5784 #include <string>
5785 #include <stdexcept>
5786 #include <ginac/ginac.h>
5787 using namespace std;
5788 using namespace GiNaC;
5789
5790 int main()
5791 @{
5792     symbol x("x");
5793     string s;
5794
5795     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
5796     getline(cin, s);
5797
5798     try @{
5799         ex e(s, lst(x));
5800         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
5801         cout << e.diff(x) << ".\n";
5802     @} catch (exception &p) @{
5803         cerr << p.what() << endl;
5804     @}
5805 @}
5806 @end example
5807
5808
5809 @subsection Archiving
5810 @cindex @code{archive} (class)
5811 @cindex archiving
5812
5813 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
5814 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
5815 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
5816 expression a unique name:
5817
5818 @example
5819 #include <fstream>
5820 using namespace std;
5821 #include <ginac/ginac.h>
5822 using namespace GiNaC;
5823
5824 int main()
5825 @{
5826     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5827
5828     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
5829     ex bar = foo + 1;
5830
5831     archive a;
5832     a.archive_ex(foo, "foo");
5833     a.archive_ex(bar, "the second one");
5834     // ...
5835 @end example
5836
5837 The archive can then be written to a file:
5838
5839 @example
5840     // ...
5841     ofstream out("foobar.gar");
5842     out << a;
5843     out.close();
5844     // ...
5845 @end example
5846
5847 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
5848 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
5849
5850 @cindex @command{viewgar}
5851 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
5852 the contents of GiNaC archive files:
5853
5854 @example
5855 $ viewgar foobar.gar
5856 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
5857 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
5858 @end example
5859
5860 The point of writing archive files is of course that they can later be
5861 read in again:
5862
5863 @example
5864     // ...
5865     archive a2;
5866     ifstream in("foobar.gar");
5867     in >> a2;
5868     // ...
5869 @end example
5870
5871 And the stored expressions can be retrieved by their name:
5872
5873 @example
5874     // ...
5875     lst syms;
5876     syms = x, y;
5877
5878     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
5879     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
5880
5881     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
5882     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
5883     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
5884 @}
5885 @end example
5886
5887 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
5888 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
5889 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
5890 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
5891 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
5892 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
5893 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
5894 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
5895
5896 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
5897 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
5898 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
5899 functions that let you access the stored properties:
5900
5901 @example
5902 static void my_print2(const archive_node & n)
5903 @{
5904     string class_name;
5905     n.find_string("class", class_name);
5906     cout << class_name << "(";
5907
5908     archive_node::propinfovector p;
5909     n.get_properties(p);
5910
5911     size_t num = p.size();
5912     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
5913         const string &name = p[i].name;
5914         if (name == "class")
5915             continue;
5916         cout << name << "=";
5917
5918         unsigned count = p[i].count;
5919         if (count > 1)
5920             cout << "@{";
5921
5922         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
5923             switch (p[i].type) @{
5924                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
5925                     bool x;
5926                     n.find_bool(name, x, j);
5927                     cout << (x ? "true" : "false");
5928                     break;
5929                 @}
5930                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
5931                     unsigned x;
5932                     n.find_unsigned(name, x, j);
5933                     cout << x;
5934                     break;
5935                 @}
5936                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
5937                     string x;
5938                     n.find_string(name, x, j);
5939                     cout << '\"' << x << '\"';
5940                     break;
5941                 @}
5942                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
5943                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
5944                     my_print2(x);
5945                     break;
5946                 @}
5947             @}
5948
5949             if (j != count-1)
5950                 cout << ",";
5951         @}
5952
5953         if (count > 1)
5954             cout << "@}";
5955
5956         if (i != num-1)
5957             cout << ",";
5958     @}
5959
5960     cout << ")";
5961 @}
5962
5963 int main()
5964 @{
5965     ex e = pow(2, x) - y;
5966     archive ar(e, "e");
5967     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
5968     return 0;
5969 @}
5970 @end example
5971
5972 This will produce:
5973
5974 @example
5975 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
5976 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
5977 overall_coeff=numeric(number="0"))
5978 @end example
5979
5980 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
5981 class may change between GiNaC versions.
5982
5983
5984 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/Output, Top
5985 @c    node-name, next, previous, up
5986 @chapter Extending GiNaC
5987
5988 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
5989 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
5990 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
5991 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
5992 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
5993 authors---they will happily incorporate them into future versions.
5994
5995 @menu
5996 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
5997 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
5998 * Printing::                         Adding new output formats.
5999 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6000 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6001 @end menu
6002
6003
6004 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6005 @c    node-name, next, previous, up
6006 @section What doesn't belong into GiNaC
6007
6008 @cindex @command{ginsh}
6009 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6010 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6011 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6012 language.  There are no loops or conditional expressions in
6013 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6014 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6015 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6016 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6017 the future.
6018
6019 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6020 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6021 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6022 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6023 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6024 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6025 provided by CLN are much better suited.
6026
6027
6028 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6029 @c    node-name, next, previous, up
6030 @section Symbolic functions
6031
6032 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6033 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6034 two preprocessor macros:
6035
6036 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6037 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6038 @example
6039 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6040 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6041 @end example
6042
6043 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6044 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6045 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6046 @code{function} object that represents your function.
6047
6048 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6049 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6050 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6051 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6052 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6053 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6054 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6055 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6056
6057 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6058 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6059 done our best to avoid macros where we can.)
6060
6061 @subsection A minimal example
6062
6063 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6064 that is not further evaluated:
6065
6066 @example
6067 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6068
6069 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6070 @end example
6071
6072 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6073 in algebraic expressions:
6074
6075 @example
6076 @{
6077     ...
6078     symbol x("x");
6079     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6080     cout << e << endl;
6081      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6082     ...
6083 @}
6084 @end example
6085
6086 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6087 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6088 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6089 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6090
6091 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6092 example of how to make an "intelligent" function.
6093
6094 @subsection The cosine function
6095
6096 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6097
6098 @example
6099 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6100 @end example
6101
6102 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6103 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6104 this function in expressions.
6105
6106 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6107 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6108
6109 @example
6110 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6111                        evalf_func(cos_evalf).
6112                        derivative_func(cos_deriv).
6113                        latex_name("\\cos"));
6114 @end example
6115
6116 There are four options defined for the cosine function. One of them
6117 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6118 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6119 function are defined.
6120
6121 @cindex @code{hold()}
6122 @cindex evaluation
6123 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6124 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6125 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6126 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6127 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6128 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6129 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6130 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6131 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6132 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6133 somewhere.
6134
6135 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6136 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6137 what is going on):
6138
6139 @example
6140 static ex cos_eval(const ex & x)
6141 @{
6142     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6143         return 1;
6144     else if ("x is a multiple of Pi")
6145         return -1;
6146     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6147         return 0;
6148     // more rules...
6149
6150     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6151         return y;
6152     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6153         return sqrt(1-y^2);
6154     // more rules...
6155
6156     else
6157         return cos(x).hold();
6158 @}
6159 @end example
6160
6161 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6162
6163 @example
6164 @{
6165     ...
6166     e = cos(Pi);
6167      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6168      // the actual expression
6169     cout << e << endl;
6170      // prints '-1'
6171     ...
6172 @}
6173 @end example
6174
6175 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6176 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6177 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6178 with @code{.hold()}.
6179
6180 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6181 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6182 different function:
6183
6184 @example
6185 static ex cos_evalf(const ex & x)
6186 @{
6187     if (is_a<numeric>(x))
6188         return cos(ex_to<numeric>(x));
6189     else
6190         return cos(x).hold();
6191 @}
6192 @end example
6193
6194 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6195 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6196 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6197 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6198 function would require it in this place.
6199
6200 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6201 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6202 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6203 @code{ex::diff}):
6204
6205 @example
6206 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6207 @{
6208     return -sin(x);
6209 @}
6210 @end example
6211
6212 @cindex product rule
6213 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6214 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6215 case the function has more than one parameter, and its main application
6216 is for correct handling of the chain rule.
6217
6218 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6219 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6220 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6221 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6222
6223 @example
6224 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6225                      int order, unsigned options)
6226 @{
6227     // Find the actual expansion point
6228     const ex x_pt = x.subs(rel);
6229
6230     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6231         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6232
6233     // On a pole, expand sin()/cos()
6234     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6235 @}
6236 @end example
6237
6238 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6239 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6240
6241 @subsection Function options
6242
6243 GiNaC functions understand several more options which are always
6244 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6245 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6246 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6247 functions without any special options.
6248
6249 @example
6250 eval_func(<C++ function>)
6251 evalf_func(<C++ function>)
6252 derivative_func(<C++ function>)
6253 series_func(<C++ function>)
6254 conjugate_func(<C++ function>)
6255 @end example
6256
6257 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6258 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6259 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6260 @code{diff()} and @code{series()}.
6261
6262 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6263 automatic evaluation is desired or possible.
6264
6265 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6266 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6267 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6268 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6269 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6270 suitable transformation.
6271
6272 @example
6273 latex_name(const string & n)
6274 @end example
6275
6276 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6277 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6278
6279 @example
6280 do_not_evalf_params()
6281 @end example
6282
6283 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
6284 function before calling the @code{evalf_func()}.
6285
6286 @example
6287 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
6288 @end example
6289
6290 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
6291 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
6292 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
6293 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
6294 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
6295 commutation properties of their first argument.
6296
6297 @example
6298 set_symmetry(const symmetry & s)
6299 @end example
6300
6301 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
6302 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
6303 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
6304 symmetric functions into a canonical order.
6305
6306 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
6307 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
6308 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
6309 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
6310 with the
6311
6312 @example
6313 print_func<C>(<C++ function>)
6314 @end example
6315
6316 option which is explained in the next section.
6317
6318 @subsection Functions with a variable number of arguments
6319
6320 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
6321 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
6322 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
6323 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
6324 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
6325
6326 It is also possible to define functions that accept a different number of
6327 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
6328 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
6329 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
6330 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
6331 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
6332 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
6333 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
6334 @file{inifcns_gamma.cpp}).
6335
6336
6337 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
6338 @c    node-name, next, previous, up
6339 @section GiNaC's expression output system
6340
6341 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
6342 (@pxref{Input/Output}). This section will explain how expression output
6343 is implemented internally, and how to define your own output formats or
6344 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
6345 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
6346 functions.
6347
6348 @cindex @code{print_context} (class)
6349 @cindex @code{print_dflt} (class)
6350 @cindex @code{print_latex} (class)
6351 @cindex @code{print_tree} (class)
6352 @cindex @code{print_csrc} (class)
6353 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
6354 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
6355 header file:
6356
6357 @table @code
6358 @item print_dflt
6359 the default output format
6360 @item print_latex
6361 output in LaTeX mathematical mode
6362 @item print_tree
6363 a dump of the internal expression structure (for debugging)
6364 @item print_csrc
6365 the base class for C source output
6366 @item print_csrc_float
6367 C source output using the @code{float} type
6368 @item print_csrc_double
6369 C source output using the @code{double} type
6370 @item print_csrc_cl_N
6371 C source output using CLN types
6372 @end table
6373
6374 The @code{print_context} base class provides two public data members:
6375
6376 @example
6377 class print_context
6378 @{
6379     ...
6380 public:
6381     std::ostream & s;
6382     unsigned options;
6383 @};
6384 @end example
6385
6386 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
6387 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
6388 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
6389 to print the index dimension which is normally hidden.
6390
6391 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
6392 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
6393 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
6394 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
6395
6396 @cindex @code{print()}
6397 @example
6398 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
6399 @end example
6400
6401 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
6402 top-level algebraic object contained in the expression.
6403
6404 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
6405 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
6406 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
6407 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
6408 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
6409 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
6410 (single) virtual function dispatch.
6411
6412 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
6413 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
6414 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
6415 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
6416 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
6417 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
6418 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
6419 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
6420 object's class name enclosed in square brackets).
6421
6422 You can think of the print methods of all the different classes and output
6423 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
6424 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
6425 classes.
6426
6427 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
6428 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
6429 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
6430 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
6431 methods at run-time).
6432
6433 @subsection Print methods for classes
6434
6435 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
6436 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
6437 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
6438 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
6439 can also be used to override existing methods dynamically.
6440
6441 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
6442 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
6443 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
6444 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
6445 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
6446 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
6447 the class is the one being implemented by
6448 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
6449
6450 For print methods that are member functions, their first argument must be of
6451 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
6452 @code{unsigned}.
6453
6454 For static members and global functions, the first argument must be of a type
6455 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
6456 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
6457 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
6458 private and protected members of @code{T}.
6459
6460 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
6461 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
6462 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
6463 purposes if you write your own output formats.
6464
6465 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
6466 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
6467 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
6468 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
6469
6470 @example
6471 void my_print_power_as_latex(const power & p,
6472                              const print_latex & c,
6473                              unsigned level)
6474 @{
6475     // get the precedence of the 'power' class
6476     unsigned power_prec = p.precedence();
6477
6478     // if the parent operator has the same or a higher precedence
6479     // we need parentheses around the power
6480     if (level >= power_prec)
6481         c.s << '(';
6482
6483     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
6484     // separated by an uparrow
6485     c.s << '@{';
6486     p.op(0).print(c, power_prec);
6487     c.s << "@}\\uparrow@{";
6488     p.op(1).print(c, power_prec);
6489     c.s << '@}';
6490
6491     // don't forget the closing parenthesis
6492     if (level >= power_prec)
6493         c.s << ')';
6494 @}
6495                                                                                 
6496 int main()
6497 @{
6498     // a sample expression
6499     symbol x("x"), y("y");
6500     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
6501
6502     // switch to LaTeX mode
6503     cout << latex;
6504
6505     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
6506     cout << e << endl;
6507
6508     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
6509     // our own one
6510     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
6511
6512     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}\uparrow@{2@}@}"
6513     cout << e << endl;
6514 @}
6515 @end example
6516
6517 Some notes:
6518
6519 @itemize
6520
6521 @item
6522 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
6523 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
6524
6525 @item
6526 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
6527 @code{power} objects for the purpose of printing.
6528
6529 @item
6530 The output of products including negative powers as fractions is also
6531 controlled by the @code{mul} class.
6532
6533 @item
6534 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
6535 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
6536
6537 @end itemize
6538
6539 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
6540 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
6541 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
6542 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
6543 sources, find the method that is installed at startup
6544 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
6545 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
6546
6547 @subsection Print methods for functions
6548
6549 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
6550 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
6551 function options. If you don't specify any special print methods, the function
6552 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
6553 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
6554
6555 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
6556
6557 @example
6558 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
6559 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
6560                                                                                 
6561 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
6562 @{
6563     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
6564 @}
6565                                                                                 
6566 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
6567 @{
6568     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
6569 @}
6570                                                                                 
6571 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
6572                        evalf_func(abs_evalf).
6573                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
6574                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
6575                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
6576 @end example
6577
6578 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
6579 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
6580
6581 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
6582
6583 @subsection Adding new output formats
6584
6585 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
6586 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
6587 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
6588 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
6589 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
6590 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
6591 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
6592 options value.
6593
6594 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
6595
6596 @example
6597 class print_myformat : public print_dflt
6598 @{
6599     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6600 public:
6601     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
6602      : print_dflt(os, opt) @{@}
6603 @};
6604
6605 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
6606
6607 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
6608 @end example
6609
6610 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
6611 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
6612 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
6613 format are implemented as print methods, as described above.
6614
6615 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
6616 exactly like GiNaC's default output format:
6617
6618 @example
6619 @{
6620     symbol x("x");
6621     ex e = pow(x, 2) + 1;
6622
6623     // this prints "1+x^2"
6624     cout << e << endl;
6625     
6626     // this also prints "1+x^2"
6627     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6628
6629     ...
6630 @}
6631 @end example
6632
6633 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
6634 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
6635
6636 @example
6637 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
6638 // example above for explanations.
6639 void print_power_as_myformat(const power & p,
6640                              const print_myformat & c,
6641                              unsigned level)
6642 @{
6643     unsigned power_prec = p.precedence();
6644     if (level >= power_prec)
6645         c.s << '(';
6646     p.op(0).print(c, power_prec);
6647     c.s << "**";
6648     p.op(1).print(c, power_prec);
6649     if (level >= power_prec)
6650         c.s << ')';
6651 @}
6652
6653 @{
6654     ...
6655     // install a new print method for power objects
6656     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
6657
6658     // now this prints "1+x**2"
6659     e.print(print_myformat()); cout << endl;
6660
6661     // but the default format is still "1+x^2"
6662     cout << e << endl;
6663 @}
6664 @end example
6665
6666
6667 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
6668 @c    node-name, next, previous, up
6669 @section Structures
6670
6671 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
6672 need some more organized way to store data in your expressions instead of
6673 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
6674 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
6675 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
6676
6677 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
6678 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
6679 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
6680 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
6681 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
6682 read both sections because many common concepts and member functions are
6683 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
6684 is most suited to your needs.
6685
6686 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
6687 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
6688 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
6689
6690 @subsection Example: scalar products
6691
6692 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
6693 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
6694 product class have to store their left and right operands, which can in turn
6695 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
6696 product in a C++ @code{struct}:
6697
6698 @example
6699 #include <iostream>
6700 using namespace std;
6701
6702 #include <ginac/ginac.h>
6703 using namespace GiNaC;
6704
6705 struct sprod_s @{
6706     ex left, right;
6707
6708     sprod_s() @{@}
6709     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
6710 @};
6711 @end example
6712
6713 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
6714 data structure, we need only one line:
6715
6716 @example
6717 typedef structure<sprod_s> sprod;
6718 @end example
6719
6720 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
6721 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
6722 expressions like any other GiNaC class:
6723
6724 @example
6725 ...
6726     symbol a("a"), b("b");
6727     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
6728 ...
6729 @end example
6730
6731 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
6732 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
6733 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
6734 constructed from an @code{sprod_s} object.
6735
6736 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
6737 you could define a little wrapper function like this:
6738
6739 @example
6740 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
6741 @{
6742     return sprod(sprod_s(left, right));
6743 @}
6744 @end example
6745
6746 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
6747 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
6748 @code{get_struct()}:
6749
6750 @example
6751 ...
6752     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
6753      // -> a
6754     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
6755      // -> b
6756 ...
6757 @end example
6758
6759 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
6760
6761 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
6762 that deal with scalar products, for example:
6763
6764 @example
6765 ex swap_sprod(ex p)
6766 @{
6767     if (is_a<sprod>(p)) @{
6768         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
6769         return make_sprod(sp.right, sp.left);
6770     @} else
6771         return p;
6772 @}
6773
6774 ...
6775     f = swap_sprod(e);
6776      // f is now <b|a>
6777 ...
6778 @end example
6779
6780 @subsection Structure output
6781
6782 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
6783 desired, most notably proper output:
6784
6785 @example
6786 ...
6787     cout << e << endl;
6788      // -> [structure object]
6789 ...
6790 @end example
6791
6792 By default, any structure types you define will be printed as
6793 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
6794 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
6795 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
6796 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
6797 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
6798 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
6799
6800 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
6801 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
6802
6803 @example
6804 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
6805 @{
6806     // tree debug output handled by superclass
6807     if (is_a<print_tree>(c))
6808         inherited::print(c, level);
6809
6810     // get the contained sprod_s object
6811     const sprod_s & sp = get_struct();
6812
6813     // print_context::s is a reference to an ostream
6814     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
6815 @}
6816 @end example
6817
6818 Now we can print expressions containing scalar products:
6819
6820 @example
6821 ...
6822     cout << e << endl;
6823      // -> <a|b>
6824     cout << swap_sprod(e) << endl;
6825      // -> <b|a>
6826 ...
6827 @end example
6828
6829 @subsection Comparing structures
6830
6831 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
6832 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
6833 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
6834 and undesired behavior:
6835
6836 @example
6837 ...
6838     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6839      // -> 0
6840     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6841      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
6842 ...
6843 @end example
6844
6845 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
6846 for objects of type @code{sprod_s}:
6847
6848 @example
6849 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6850 @{
6851     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
6852 @}
6853
6854 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
6855 @{
6856     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0 ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
6857 @}
6858 @end example
6859
6860 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
6861 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
6862 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
6863 in the implementation of these operators because they would construct
6864 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
6865 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
6866 decide which one is algebraically 'less').
6867
6868 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
6869 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
6870
6871 @example
6872 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
6873 @end example
6874
6875 @code{sprod} objects then behave as expected:
6876
6877 @example
6878 ...
6879     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6880      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
6881     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
6882      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
6883     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
6884      // -> 0
6885     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
6886      // -> 2*<a|b>
6887 ...
6888 @end example
6889
6890 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
6891 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
6892 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
6893 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
6894 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
6895 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
6896
6897 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
6898 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
6899 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
6900 This should be used with extreme care because it only works reliably with
6901 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
6902 undefined value) that the @code{T} class might have.
6903
6904 @subsection Subexpressions
6905
6906 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
6907 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
6908 @code{nops()} and @code{op()} methods:
6909
6910 @example
6911 size_t sprod::nops() const
6912 @{
6913     return 2;
6914 @}
6915
6916 ex sprod::op(size_t i) const
6917 @{
6918     switch (i) @{
6919     case 0:
6920         return get_struct().left;
6921     case 1:
6922         return get_struct().right;
6923     default:
6924         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
6925     @}
6926 @}
6927 @end example
6928
6929 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
6930 @code{sprod} has two other nice side effects:
6931
6932 @itemize @bullet
6933 @item
6934 @code{has()} works as expected
6935 @item
6936 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
6937 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
6938 @end itemize
6939
6940 @cindex @code{let_op()}
6941 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
6942 allows replacing subexpressions:
6943
6944 @example
6945 ex & sprod::let_op(size_t i)
6946 @{
6947     // every non-const member function must call this
6948     ensure_if_modifiable();
6949
6950     switch (i) @{
6951     case 0:
6952         return get_struct().left;
6953     case 1:
6954         return get_struct().right;
6955     default:
6956         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
6957     @}
6958 @}
6959 @end example
6960
6961 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
6962 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
6963 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
6964 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
6965
6966 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
6967 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
6968 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
6969 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
6970 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
6971 This is left as an exercise for the reader.
6972
6973 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
6974 you can override by specialization to customize the behavior of your
6975 structures. You are referred to the next section for a description of
6976 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
6977 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
6978 @code{structure<T>} template: archiving.
6979
6980 @subsection Archiving structures
6981
6982 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
6983 should first read the next section and then come back here. You're back?
6984 Good.
6985
6986 To implement archiving for structures it is not enough to provide
6987 specializations for the @code{archive()} member function and the
6988 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
6989 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
6990 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
6991 the class of an object is stored as a string, the class name.
6992
6993 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
6994 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
6995 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
6996 need to provide a different name for each by specializing the
6997 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
6998 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
6999
7000 @example
7001 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7002
7003 void sprod::archive(archive_node & n) const
7004 @{
7005     inherited::archive(n);
7006     n.add_ex("left", get_struct().left);
7007     n.add_ex("right", get_struct().right);
7008 @}
7009
7010 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7011 @{
7012     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7013     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7014 @}
7015 @end example
7016
7017 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7018 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7019 @code{sprod::unarchive()} function.
7020
7021
7022 @node Adding classes, A Comparison With Other CAS, Structures, Extending GiNaC
7023 @c    node-name, next, previous, up
7024 @section Adding classes
7025
7026 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7027 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7028 severe of which being that you can't add any new member functions to
7029 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7030 from scratch.
7031
7032 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7033 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7034 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7035 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7036 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7037 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7038 representing tensor products is more involved but this section should give
7039 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7040 classes if you want to implement something more complicated.
7041
7042 @subsection GiNaC's run-time type information system
7043
7044 @cindex hierarchy of classes
7045 @cindex RTTI
7046 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7047 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7048 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7049 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7050 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7051 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7052 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7053 system that provides this kind of information is called a run-time type
7054 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7055 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7056 implements its own, simpler RTTI.
7057
7058 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7059
7060 @itemize @bullet
7061
7062 @item
7063 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7064 holds an unsigned integer that identifies the object's class. These numbers
7065 are defined in the @file{tinfos.h} header file for the built-in GiNaC
7066 classes. They all start with @code{TINFO_}.
7067
7068 @item
7069 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7070 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7071 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7072 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7073 @file{registrar.h} header file.
7074
7075 @end itemize
7076
7077 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7078 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7079 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7080 macros.
7081
7082 @subsection A minimalistic example
7083
7084 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7085 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7086 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7087 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7088 for your own classes.
7089
7090 The code snippets given here assume that you have included some header files
7091 as follows:
7092
7093 @example
7094 #include <iostream>
7095 #include <string>   
7096 #include <stdexcept>
7097 using namespace std;
7098
7099 #include <ginac/ginac.h>
7100 using namespace GiNaC;
7101 @end example
7102
7103 The first thing we have to do is to define a @code{tinfo_key} for our new
7104 class. This can be any arbitrary unsigned number that is not already taken
7105 by one of the existing classes but it's better to come up with something
7106 that is unlikely to clash with keys that might be added in the future. The
7107 numbers in @file{tinfos.h} are modeled somewhat after the class hierarchy
7108 which is not a requirement but we are going to stick with this scheme:
7109
7110 @example
7111 const unsigned TINFO_mystring = 0x42420001U;
7112 @end example
7113
7114 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7115 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7116 object from a C or C++ string:
7117
7118 @example
7119 class mystring : public basic
7120 @{
7121     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7122   
7123 public:
7124     mystring(const string &s);
7125     mystring(const char *s);
7126
7127 private:
7128     string str;
7129 @};
7130
7131 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7132 @end example
7133
7134 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7135 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7136 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7137 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7138 the first line after the opening brace of the class definition. The
7139 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7140 source (at global scope, of course, not inside a function).
7141
7142 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7143 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7144 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7145 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7146 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7147 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7148 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7149 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7150
7151 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7152 class:
7153
7154 @itemize
7155
7156 @item
7157 @code{mystring()}, the default constructor.
7158
7159 @item
7160 @code{void archive(archive_node &n)}, the archiving function. This stores all
7161 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7162 @code{archive_node}.
7163
7164 @item
7165 @code{mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the unarchiving
7166 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7167 found in an @code{archive_node}.
7168
7169 @item
7170 @code{ex unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)}, the static
7171 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7172 constructor.
7173
7174 @item
7175 @cindex @code{compare_same_type()}
7176 @code{int compare_same_type(const basic &other)}, which is used internally
7177 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7178 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7179 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7180 @strong{Note:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7181 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7182 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7183 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7184 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7185 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7186 defined.
7187
7188 @item
7189 And, of course, @code{mystring(const string &s)} and @code{mystring(const char *s)}
7190 which are the two constructors we declared.
7191
7192 @end itemize
7193
7194 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7195
7196 @example
7197 mystring::mystring() : inherited(TINFO_mystring) @{@}
7198 @end example
7199
7200 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7201 @code{tinfo_key} member to the @code{TINFO_*} value of your class. Otherwise
7202 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7203 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7204 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7205 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7206 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7207 to the right value manually.
7208
7209 In the default constructor you should set all other member variables to
7210 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7211 member gets set to an empty string automatically).
7212
7213 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7214 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7215 is really simple.  First, the archiving function:
7216
7217 @example
7218 void mystring::archive(archive_node &n) const
7219 @{
7220     inherited::archive(n);
7221     n.add_string("string", str);
7222 @}
7223 @end example
7224
7225 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7226 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7227 deem necessary for representing the object into the passed
7228 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7229 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7230 file.
7231
7232 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7233 function:
7234
7235 @example
7236 mystring::mystring(const archive_node &n, lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7237 @{
7238     n.find_string("string", str);
7239 @}
7240 @end example
7241
7242 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7243 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7244 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7245 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7246
7247 Finally, the unarchiving function:
7248
7249 @example
7250 ex mystring::unarchive(const archive_node &n, lst &sym_lst)
7251 @{
7252     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7253 @}
7254 @end example
7255
7256 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7257 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7258 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7259 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7260 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7261 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7262 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7263 automatically once it is no longer referenced.
7264
7265 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7266 the string members:
7267
7268 @example
7269 int mystring::compare_same_type(const basic &other) const
7270 @{
7271     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7272     int cmpval = str.compare(o.str);
7273     if (cmpval == 0)
7274         return 0;
7275     else if (cmpval < 0)
7276         return -1;
7277     else
7278         return 1;
7279 @}
7280 @end example
7281
7282 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7283 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7284 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7285 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7286 all relevant member variables.
7287
7288 Now the only thing missing is our two new constructors:
7289
7290 @example
7291 mystring::mystring(const string &s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7292 mystring::mystring(const char *s) : inherited(TINFO_mystring), str(s) @{@}
7293 @end example
7294
7295 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
7296 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
7297
7298 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
7299 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
7300
7301 @example
7302 ex e = mystring("Hello, world!");
7303 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
7304  // -> 1 (true)
7305
7306 cout << e.bp->class_name() << endl;
7307  // -> mystring
7308 @end example
7309
7310 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
7311
7312 @example
7313 cout << e << endl;
7314  // -> [mystring object]
7315 @end example
7316
7317 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
7318 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
7319 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
7320 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
7321 surrounded by double quotes:
7322
7323 @example
7324 class mystring : public basic
7325 @{
7326     ...
7327 protected:
7328     void do_print(const print_context &c, unsigned level = 0) const;
7329     ...
7330 @};
7331
7332 void mystring::do_print(const print_context &c, unsigned level) const
7333 @{
7334     // print_context::s is a reference to an ostream
7335     c.s << '\"' << str << '\"';
7336 @}
7337 @end example
7338
7339 The @code{level} argument is only required for container classes to
7340 correctly parenthesize the output.
7341
7342 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
7343 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
7344 replace the line
7345
7346 @example
7347 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7348 @end example
7349
7350 with
7351
7352 @example
7353 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
7354   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
7355 @end example
7356
7357 Let's try again to print the expression:
7358
7359 @example
7360 cout << e << endl;
7361  // -> "Hello, world!"
7362 @end example
7363
7364 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
7365 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
7366 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
7367 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
7368 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
7369 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
7370 way expression output is implemented in GiNaC.
7371
7372 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
7373
7374 @example
7375 e += mystring("GiNaC rulez"); 
7376 cout << e << endl;
7377  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
7378 @end example
7379
7380 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
7381
7382 @example
7383 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
7384 cout << e << endl;
7385  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
7386 @end example
7387
7388 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
7389 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
7390 for your objects.
7391
7392 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
7393
7394 @example
7395 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
7396 cout << e << endl;
7397  // -> "Wow"^2
7398
7399 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
7400 cout << e.expand() << endl;
7401  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
7402 @end example
7403
7404 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
7405 concatenation. You would have to implement this yourself.
7406
7407 @subsection Automatic evaluation
7408
7409 @cindex evaluation
7410 @cindex @code{eval()}
7411 @cindex @code{hold()}
7412 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
7413 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
7414 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
7415 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
7416 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
7417 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
7418
7419 @example
7420 class mystring : public basic
7421 @{
7422     ...
7423 public:
7424     ex eval(int level = 0) const;
7425     ...
7426 @};
7427
7428 ex mystring::eval(int level) const
7429 @{
7430     string new_str;
7431     for (int i=0; i<str.length(); i++) @{
7432         char c = str[i];
7433         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
7434             new_str += tolower(c);
7435         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
7436             new_str += c;
7437     @}
7438
7439     if (new_str.length() == 0)
7440         return 0;
7441     else
7442         return mystring(new_str).hold();
7443 @}
7444 @end example
7445
7446 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
7447 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
7448 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
7449 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
7450 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
7451 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
7452 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
7453 unmodified, use @code{return this->hold();}.
7454
7455 Let's confirm that it works:
7456
7457 @example
7458 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
7459 cout << e << endl;
7460  // -> "helloworld"
7461
7462 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
7463 cout << e << endl;
7464  // -> 3*"wow"
7465 @end example
7466
7467 @subsection Optional member functions
7468
7469 We have implemented only a small set of member functions to make the class
7470 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
7471 required but will make operations with objects of the class more efficient:
7472
7473 @cindex @code{calchash()}
7474 @cindex @code{is_equal_same_type()}
7475 @example
7476 unsigned calchash() const;
7477 bool is_equal_same_type(const basic &other) const;
7478 @end example
7479
7480 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
7481 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
7482 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
7483 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
7484 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
7485 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
7486
7487 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
7488 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
7489 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
7490 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
7491
7492 @subsection Other member functions
7493
7494 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
7495 might want to provide:
7496
7497 @example
7498 bool info(unsigned inf) const;
7499 ex evalf(int level = 0) const;
7500 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
7501 ex derivative(const symbol & s) const;
7502 @end example
7503
7504 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
7505 previous section) you will probably want to override
7506
7507 @cindex @code{let_op()}
7508 @example
7509 size_t nops() cont;
7510 ex op(size_t i) const;
7511 ex & let_op(size_t i);
7512 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
7513 ex map(map_function & f) const;
7514 @end example
7515
7516 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
7517 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
7518 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
7519
7520 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
7521 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
7522 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
7523 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
7524 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
7525 should become a need.
7526
7527 That's it. May the source be with you!
7528
7529
7530 @node A Comparison With Other CAS, Advantages, Adding classes, Top
7531 @c    node-name, next, previous, up
7532 @chapter A Comparison With Other CAS
7533 @cindex advocacy
7534
7535 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
7536 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
7537 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
7538 disadvantages over these systems.
7539
7540 @menu
7541 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
7542 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
7543 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
7544 @end menu
7545
7546 @node Advantages, Disadvantages, A Comparison With Other CAS, A Comparison With Other CAS
7547 @c    node-name, next, previous, up
7548 @section Advantages
7549
7550 GiNaC has several advantages over traditional Computer
7551 Algebra Systems, like 
7552
7553 @itemize @bullet
7554
7555 @item
7556 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
7557 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
7558 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
7559 in common C++, which is standardized.
7560
7561 @cindex STL
7562 @item
7563 structured data types: you can build up structured data types using
7564 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
7565 using unnamed lists of lists of lists.
7566
7567 @item
7568 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
7569 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
7570 nice for novice programmers, but dangerous.
7571     
7572 @item
7573 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
7574 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
7575 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
7576
7577 @item
7578 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
7579 separating interface and implementation.
7580
7581 @item
7582 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
7583 that it is free and available with source code.  And there are excellent
7584 C++-compilers for free, too.
7585     
7586 @item
7587 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
7588 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
7589 usually only extend on a high level by writing in the language defined
7590 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
7591 fix bugs in a traditional system.
7592
7593 @item
7594 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
7595 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
7596 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
7597 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
7598 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
7599 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
7600 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
7601 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
7602 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
7603 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
7604 FTP-site.
7605
7606 @item
7607 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
7608 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
7609 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
7610 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
7611 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
7612 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
7613 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
7614 system (i.e. @emph{Yacas}).
7615
7616 @item
7617 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
7618 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
7619 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
7620 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
7621 speed with other CAS.
7622
7623 @end itemize
7624
7625
7626 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A Comparison With Other CAS
7627 @c    node-name, next, previous, up
7628 @section Disadvantages
7629
7630 Of course it also has some disadvantages:
7631
7632 @itemize @bullet
7633
7634 @item
7635 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
7636 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
7637 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
7638 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
7639 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
7640 not planned for the near future).
7641
7642 @item
7643 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
7644 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
7645 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
7646 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
7647 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
7648 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
7649 macros to let the compiler gather all static initializations, which
7650 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
7651 really believe that you need to use a different compiler.  We have
7652 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
7653 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
7654 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
7655 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
7656 yet ANSI compliant, support all needed features.
7657     
7658 @end itemize
7659
7660
7661 @node Why C++?, Internal Structures, Disadvantages, A Comparison With Other CAS
7662 @c    node-name, next, previous, up
7663 @section Why C++?
7664
7665 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
7666 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
7667 possible), separation between interface and implementation is not
7668 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
7669 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
7670 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
7671 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
7672 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
7673 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
7674 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
7675 any other programming language.
7676
7677
7678 @node Internal Structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
7679 @c    node-name, next, previous, up
7680 @appendix Internal Structures
7681
7682 @menu
7683 * Expressions are reference counted::
7684 * Internal representation of products and sums::
7685 @end menu
7686
7687 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal Structures, Internal Structures
7688 @c    node-name, next, previous, up
7689 @appendixsection Expressions are reference counted
7690
7691 @cindex reference counting
7692 @cindex copy-on-write
7693 @cindex garbage collection
7694 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
7695 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
7696 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
7697 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
7698 skip the rest of this passage.
7699
7700 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
7701 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
7702 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
7703 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
7704 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
7705 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
7706 of code:
7707
7708 @example
7709 #include <iostream>
7710 #include <ginac/ginac.h>
7711 using namespace std;
7712 using namespace GiNaC;
7713
7714 int main()
7715 @{
7716     symbol x("x"), y("y"), z("z");
7717     ex e1, e2;
7718
7719     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
7720     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
7721     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
7722     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
7723     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
7724 @}
7725 @end example
7726
7727 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
7728 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
7729 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
7730 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
7731 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
7732 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
7733 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
7734 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
7735 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
7736 the object it points to too and deletes the object from memory if that
7737 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
7738 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
7739 can be:
7740
7741 @example
7742 @{
7743     symbol x("x"), y("y");
7744
7745     ex e1 = x + 3*y;
7746     ex e2 = pow(e1, 3);
7747     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
7748     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
7749          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
7750          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
7751 @}
7752 @end example
7753
7754 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
7755 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
7756 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
7757 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
7758 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
7759 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
7760 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
7761 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
7762 @code{3*e1^2}.
7763
7764 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
7765 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
7766 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
7767 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
7768 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
7769 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
7770 semantics, we recommend you have a look at the
7771 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
7772 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
7773 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
7774
7775
7776 @node Internal representation of products and sums, Package Tools, Expressions are reference counted, Internal Structures
7777 @c    node-name, next, previous, up
7778 @appendixsection Internal representation of products and sums
7779
7780 @cindex representation
7781 @cindex @code{add}
7782 @cindex @code{mul}
7783 @cindex @code{power}
7784 Although it should be completely transparent for the user of
7785 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
7786 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
7787 unexpanded symbolic expression 
7788 @tex
7789 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
7790 @end tex
7791 @ifnottex
7792 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
7793 @end ifnottex
7794 which could naively be represented by a tree of linear containers for
7795 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
7796 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
7797 fashion:
7798
7799 @image{repnaive}
7800
7801 @cindex pair-wise representation
7802 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
7803 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
7804 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
7805 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
7806 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
7807 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
7808 becomes much more flat:
7809
7810 @image{reppair}
7811
7812 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
7813 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
7814 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
7815 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
7816 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
7817 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
7818 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
7819 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
7820 representation, however, since they are still carrying a trivial
7821 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
7822 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
7823 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
7824 representation for
7825 @tex
7826 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
7827 @end tex
7828 @ifnottex
7829 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
7830 @end ifnottex
7831
7832 @image{repreal}
7833
7834 @cindex radical
7835 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
7836 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
7837 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
7838 same abstract class: the data representation is the same, only the
7839 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
7840 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
7841 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
7842
7843
7844 @node Package Tools, ginac-config, Internal representation of products and sums, Top
7845 @c    node-name, next, previous, up
7846 @appendix Package Tools
7847
7848 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
7849 setting the correct command line options for the compiler and linker
7850 can be difficult. GiNaC includes two tools to make this process easier.
7851
7852 @menu
7853 * ginac-config::   A shell script to detect compiler and linker flags.
7854 * AM_PATH_GINAC::  Macro for GNU automake.
7855 @end menu
7856
7857
7858 @node ginac-config, AM_PATH_GINAC, Package Tools, Package Tools
7859 @c    node-name, next, previous, up
7860 @section @command{ginac-config}
7861 @cindex ginac-config
7862
7863 @command{ginac-config} is a shell script that you can use to determine
7864 the compiler and linker command line options required to compile and
7865 link a program with the GiNaC library.
7866
7867 @command{ginac-config} takes the following flags:
7868
7869 @table @samp
7870 @item --version
7871 Prints out the version of GiNaC installed.
7872 @item --cppflags
7873 Prints '-I' flags pointing to the installed header files.
7874 @item --libs
7875 Prints out the linker flags necessary to link a program against GiNaC.
7876 @item --prefix[=@var{PREFIX}]
7877 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$prefix}.
7878 (And of exec-prefix, unless @code{--exec-prefix} is also specified)
7879 Otherwise, prints out the configured value of @env{$prefix}.
7880 @item --exec-prefix[=@var{PREFIX}]
7881 If @var{PREFIX} is specified, overrides the configured value of @env{$exec_prefix}.
7882 Otherwise, prints out the configured value of @env{$exec_prefix}.
7883 @end table
7884
7885 Typically, @command{ginac-config} will be used within a configure
7886 script, as described below. It, however, can also be used directly from
7887 the command line using backquotes to compile a simple program. For
7888 example:
7889
7890 @example
7891 c++ -o simple `ginac-config --cppflags` simple.cpp `ginac-config --libs`
7892 @end example
7893
7894 This command line might expand to (for example):
7895
7896 @example
7897 cc -o simple -I/usr/local/include simple.cpp -L/usr/local/lib \
7898   -lginac -lcln -lstdc++
7899 @end example
7900
7901 Not only is the form using @command{ginac-config} easier to type, it will
7902 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
7903
7904
7905 @node AM_PATH_GINAC, Configure script options, ginac-config, Package Tools
7906 @c    node-name, next, previous, up
7907 @section @samp{AM_PATH_GINAC}
7908 @cindex AM_PATH_GINAC
7909
7910 For packages configured using GNU automake, GiNaC also provides
7911 a macro to automate the process of checking for GiNaC.
7912
7913 @example
7914 AM_PATH_GINAC([@var{MINIMUM-VERSION}, [@var{ACTION-IF-FOUND} [, @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}]]])
7915 @end example
7916
7917 This macro:
7918
7919 @itemize @bullet
7920
7921 @item
7922 Determines the location of GiNaC using @command{ginac-config}, which is
7923 either found in the user's path, or from the environment variable
7924 @env{GINACLIB_CONFIG}.
7925
7926 @item
7927 Tests the installed libraries to make sure that their version
7928 is later than @var{MINIMUM-VERSION}. (A default version will be used
7929 if not specified)
7930
7931 @item
7932 If the required version was found, sets the @env{GINACLIB_CPPFLAGS} variable
7933 to the output of @command{ginac-config --cppflags} and the @env{GINACLIB_LIBS}
7934 variable to the output of @command{ginac-config --libs}, and calls
7935 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
7936 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
7937
7938 @item
7939 If the required version was not found, sets @env{GINACLIB_CPPFLAGS} and
7940 @env{GINACLIB_LIBS} to empty strings, and executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
7941
7942 @end itemize
7943
7944 This macro is in file @file{ginac.m4} which is installed in
7945 @file{$datadir/aclocal}. Note that if automake was installed with a
7946 different @samp{--prefix} than GiNaC, you will either have to manually
7947 move @file{ginac.m4} to automake's @file{$datadir/aclocal}, or give
7948 aclocal the @samp{-I} option when running it.
7949
7950 @menu
7951 * Configure script options::  Configuring a package that uses AM_PATH_GINAC.
7952 * Example package::           Example of a package using AM_PATH_GINAC.
7953 @end menu
7954
7955
7956 @node Configure script options, Example package, AM_PATH_GINAC, AM_PATH_GINAC
7957 @c    node-name, next, previous, up
7958 @subsection Configuring a package that uses @samp{AM_PATH_GINAC}
7959
7960 Simply make sure that @command{ginac-config} is in your path, and run
7961 the configure script.
7962
7963 Notes:
7964
7965 @itemize @bullet
7966
7967 @item
7968 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
7969 to be found by your system's dynamic linker.
7970   
7971 This is generally done by
7972
7973 @display
7974 editing @file{/etc/ld.so.conf} and running @command{ldconfig}
7975 @end display
7976
7977 or by
7978    
7979 @display
7980 setting the environment variable @env{LD_LIBRARY_PATH},
7981 @end display
7982
7983 or, as a last resort, 
7984  
7985 @display
7986 giving a @samp{-R} or @samp{-rpath} flag (depending on your linker) when
7987 running configure, for instance:
7988
7989 @example
7990 LDFLAGS=-R/home/cbauer/lib ./configure
7991 @end example
7992 @end display
7993
7994 @item
7995 You can also specify a @command{ginac-config} not in your path by
7996 setting the @env{GINACLIB_CONFIG} environment variable to the
7997 name of the executable
7998
7999 @item
8000 If you move the GiNaC package from its installed location,
8001 you will either need to modify @command{ginac-config} script
8002 manually to point to the new location or rebuild GiNaC.
8003
8004 @end itemize
8005
8006 Advanced note:
8007
8008 @itemize @bullet
8009 @item
8010 configure flags
8011   
8012 @example
8013 --with-ginac-prefix=@var{PREFIX}
8014 --with-ginac-exec-prefix=@var{PREFIX}
8015 @end example
8016
8017 are provided to override the prefix and exec-prefix that were stored
8018 in the @command{ginac-config} shell script by GiNaC's configure. You are
8019 generally better off configuring GiNaC with the right path to begin with.
8020 @end itemize
8021
8022
8023 @node Example package, Bibliography, Configure script options, AM_PATH_GINAC
8024 @c    node-name, next, previous, up
8025 @subsection Example of a package using @samp{AM_PATH_GINAC}
8026
8027 The following shows how to build a simple package using automake
8028 and the @samp{AM_PATH_GINAC} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8029
8030 @example
8031 #include <iostream>
8032 #include <ginac/ginac.h>
8033
8034 int main()
8035 @{
8036     GiNaC::symbol x("x");
8037     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8038     std::cout << "Derivative of " << a 
8039               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8040     return 0;
8041 @}
8042 @end example
8043
8044 You should first read the introductory portions of the automake
8045 Manual, if you are not already familiar with it.
8046
8047 Two files are needed, @file{configure.in}, which is used to build the
8048 configure script:
8049
8050 @example
8051 dnl Process this file with autoconf to produce a configure script.
8052 AC_INIT(simple.cpp)
8053 AM_INIT_AUTOMAKE(simple.cpp, 1.0.0)
8054
8055 AC_PROG_CXX
8056 AC_PROG_INSTALL
8057 AC_LANG_CPLUSPLUS
8058
8059 AM_PATH_GINAC(0.9.0, [
8060   LIBS="$LIBS $GINACLIB_LIBS"
8061   CPPFLAGS="$CPPFLAGS $GINACLIB_CPPFLAGS"  
8062 ], AC_MSG_ERROR([need to have GiNaC installed]))
8063
8064 AC_OUTPUT(Makefile)
8065 @end example
8066
8067 The only command in this which is not standard for automake
8068 is the @samp{AM_PATH_GINAC} macro.
8069
8070 That command does the following: If a GiNaC version greater or equal
8071 than 0.7.0 is found, then it adds @env{$GINACLIB_LIBS} to @env{$LIBS}
8072 and @env{$GINACLIB_CPPFLAGS} to @env{$CPPFLAGS}. Otherwise, it dies with
8073 the error message `need to have GiNaC installed'
8074
8075 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8076
8077 @example
8078 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8079 bin_PROGRAMS = simple
8080 simple_SOURCES = simple.cpp
8081 @end example
8082
8083 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8084 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8085 we are building uses GiNaC we simply added the GiNaC options
8086 to @env{$LIBS} and @env{$CPPFLAGS}, but in other circumstances, we might
8087 want to specify them on a per-program basis: for instance by
8088 adding the lines:
8089
8090 @example
8091 simple_LDADD = $(GINACLIB_LIBS)
8092 INCLUDES = $(GINACLIB_CPPFLAGS)
8093 @end example
8094
8095 to the @file{Makefile.am}.
8096
8097 To try this example out, create a new directory and add the three
8098 files above to it.
8099
8100 Now execute the following commands:
8101
8102 @example
8103 $ automake --add-missing
8104 $ aclocal
8105 $ autoconf
8106 @end example
8107
8108 You now have a package that can be built in the normal fashion
8109
8110 @example
8111 $ ./configure
8112 $ make
8113 $ make install
8114 @end example
8115
8116
8117 @node Bibliography, Concept Index, Example package, Top
8118 @c    node-name, next, previous, up
8119 @appendix Bibliography
8120
8121 @itemize @minus{}
8122
8123 @item
8124 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8125
8126 @item
8127 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8128
8129 @item
8130 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8131
8132 @item
8133 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8134
8135 @item
8136 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8137 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8138
8139 @item
8140 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8141 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8142 Academic Press, London
8143
8144 @item
8145 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8146 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8147
8148 @item
8149 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8150 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8151
8152 @item
8153 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8154 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8155
8156 @item
8157 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8158
8159 @end itemize
8160
8161
8162 @node Concept Index, , Bibliography, Top
8163 @c    node-name, next, previous, up
8164 @unnumbered Concept Index
8165
8166 @printindex cp
8167
8168 @bye