]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
51341f4dd2f2f16075b676378d9f091ebec35cfd
[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) 1999-2007 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 @uref{http://www.ginac.de}
51
52 @page
53 @vskip 0pt plus 1filll
54 Copyright @copyright{} 1999-2007 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
55 @sp 2
56 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
57 this manual provided the copyright notice and this permission notice
58 are preserved on all copies.
59
60 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
61 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
62 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
63 notice identical to this one.
64 @end titlepage
65
66 @page
67 @contents
68
69 @page
70
71
72 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
73 @c    node-name, next, previous, up
74 @top GiNaC
75
76 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
77 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
78
79 @menu
80 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
81 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
82 * Installation::                 How to install the package.
83 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
84 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
85 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
86 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
87 * Internal structures::          Description of some internal structures.
88 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
89 * Bibliography::
90 * Concept index::
91 @end menu
92
93
94 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
95 @c    node-name, next, previous, up
96 @chapter Introduction
97 @cindex history of GiNaC
98
99 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
100 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
101 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
102 learning math and solving particular problems they lack modern
103 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
104 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
105 well established and standardized computer language (C++) by some
106 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
107 that embed symbolic manipulations together with more established areas
108 of computer science (like computation-intense numeric applications,
109 graphical interfaces, etc.) under one roof.
110
111 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
112 still a very active field of research, namely the calculation of higher
113 order corrections to elementary particle interactions.  There,
114 theoretical physicists are interested in matching present day theories
115 against experiments taking place at particle accelerators.  The
116 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
117 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
118 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
119 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
120 are in no way restricted to theoretical physics.
121
122 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
123 already has some background in C++ programming.  However, since a
124 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
125 the development, the actual documentation is inside the sources in the
126 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
127 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
128 may access it from @uref{http://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
129 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
130 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
131 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
132 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
133 the near future.
134
135 @section License
136 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
137 language is Copyright @copyright{} 1999-2007 Johannes Gutenberg
138 University Mainz, Germany.
139
140 This program is free software; you can redistribute it and/or
141 modify it under the terms of the GNU General Public License as
142 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
143 License, or (at your option) any later version.
144
145 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
146 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
147 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
148 General Public License for more details.
149
150 You should have received a copy of the GNU General Public License
151 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
152 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
153 MA 02110-1301, USA.
154
155
156 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
157 @c    node-name, next, previous, up
158 @chapter A Tour of GiNaC
159
160 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
161 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
162 leaves many open questions.
163
164 @menu
165 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
166 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
167 @end menu
168
169
170 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
171 @c    node-name, next, previous, up
172 @section How to use it from within C++
173
174 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
175 language does not try to define a language of its own as conventional
176 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
177 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
178 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
179
180 @example
181 #include <iostream>
182 #include <ginac/ginac.h>
183 using namespace std;
184 using namespace GiNaC;
185
186 int main()
187 @{
188     symbol x("x"), y("y");
189     ex poly;
190
191     for (int i=0; i<3; ++i)
192         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
193
194     cout << poly << endl;
195     return 0;
196 @}
197 @end example
198
199 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
200 and run it like this:
201
202 @example
203 $ c++ hello.cc -o hello -lcln -lginac
204 $ ./hello
205 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
206 @end example
207
208 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
209 package that uses GiNaC.)
210
211 @cindex Hermite polynomial
212 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
213 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
214
215 @example
216 #include <iostream>
217 #include <ginac/ginac.h>
218 using namespace std;
219 using namespace GiNaC;
220
221 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
222 @{
223     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
224     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
225     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
226 @}
227
228 int main()
229 @{
230     symbol z("z");
231
232     for (int i=0; i<6; ++i)
233         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
234
235     return 0;
236 @}
237 @end example
238
239 When run, this will type out
240
241 @example
242 H_0(z) == 1
243 H_1(z) == 2*z
244 H_2(z) == 4*z^2-2
245 H_3(z) == -12*z+8*z^3
246 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
247 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
248 @end example
249
250 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
251 for production purposes.
252
253 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
254 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
255 convenient window into GiNaC's capabilities.
256
257
258 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
259 @c    node-name, next, previous, up
260 @section What it can do for you
261
262 @cindex @command{ginsh}
263 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
264 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
265 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
266 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
267 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
268 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
269 @code{==} compares.
270
271 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
272 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
273 integers:
274
275 @example
276 > x=3^150;
277 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
278 > y=3^149;
279 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
280 > x/y;
281 3
282 > y/x;
283 1/3
284 @end example
285
286 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
287 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
288 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
289 can be expanded:
290
291 @example
292 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
293 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
294 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
295 10-5*3^(3/5)
296 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
297 0.33408977534118624228
298 @end example
299
300 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
301 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
302 arbitrary predefined accuracy:
303
304 @example
305 > evalf(1/7);
306 0.14285714285714285714
307 > Digits=150;
308 150
309 > evalf(1/7);
310 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
311 5714285714285714285714285714285714285
312 @end example
313
314 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
315 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
316 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
317 numeric expressions (as an inexact number):
318
319 @example
320 > a=Pi^2+x;
321 x+Pi^2
322 > evalf(a);
323 9.869604401089358619+x
324 > x=2;
325 2
326 > evalf(a);
327 11.869604401089358619
328 @end example
329
330 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
331 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
332 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
333
334 @example
335 > cos(42*Pi);
336 1
337 > cos(acos(x));
338 x
339 > acos(cos(x));
340 acos(cos(x))
341 @end example
342
343 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
344 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
345
346 Linear equation systems can be solved along with basic linear
347 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
348 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
349 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
350
351 @example
352 > lsolve(a+x*y==z,x);
353 y^(-1)*(z-a);
354 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
355 @{x==19/8,y==-1/40@}
356 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
357 [[1,3],[-3,2]]
358 > determinant(M);
359 11
360 > charpoly(M,lambda);
361 lambda^2-3*lambda+11
362 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
363 [[1,1],[2,-1]]
364 > A+2*M;
365 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
366 > evalm(%);
367 [[3,7],[-4,3]]
368 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
369 > evalm(B^(2^12345));
370 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
371 @end example
372
373 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
374 collected and normalized (i.e. converted to a ratio of two coprime 
375 polynomials):
376
377 @example
378 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
379 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
380 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
381 4*x*y-y^2+x^2
382 > expand(a*b);
383 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
384 > collect(a+b,x);
385 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
386 > collect(a+b,y);
387 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
388 > normal(a/b);
389 3*y^2+x^2
390 @end example
391
392 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
393 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
394 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
395 order):
396
397 @cindex Zeta function
398 @example
399 > diff(tan(x),x);
400 tan(x)^2+1
401 > series(sin(x),x==0,4);
402 x-1/6*x^3+Order(x^4)
403 > series(1/tan(x),x==0,4);
404 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
405 > series(tgamma(x),x==0,3);
406 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
407 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
408 > evalf(%);
409 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
410 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
411 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
412 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
413 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
414 @end example
415
416 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
417 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
418
419 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
420 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
421
422 @cindex fsolve
423 @example
424 > Digits=50:
425 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
426 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
427 > f=exp(sin(x))-x:
428 > X=fsolve(f,x,-10,10);
429 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
430 > subs(f,x==X);
431 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
432 @end example
433
434 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
435 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
436 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
437 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
438 point values.
439
440 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
441 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
442 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
443 metric system is now easy:
444
445 @example
446 > in=.0254*m;
447 0.0254*m
448 > lb=.45359237*kg;
449 0.45359237*kg
450 > 200*lb/in^2;
451 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
452 @end example
453
454
455 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
456 @c    node-name, next, previous, up
457 @chapter Installation
458
459 @cindex CLN
460 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
461 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
462 installation.
463
464 @menu
465 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
466 * Configuration::                How to configure GiNaC.
467 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
468 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
469 @end menu
470
471
472 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
473 @c    node-name, next, previous, up
474 @section Prerequisites
475
476 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
477 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
478 ANSI-standard @cite{ISO/IEC 14882:1998(E)}.  We used GCC for development
479 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
480 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
481 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
482 required for the configuration, it can be downloaded from
483 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
484 Last but not least, the CLN library
485 is used extensively and needs to be installed on your system.
486 Please get it from @uref{ftp://ftpthep.physik.uni-mainz.de/pub/gnu/}
487 (it is covered by GPL) and install it prior to trying to install
488 GiNaC.  The configure script checks if it can find it and if it cannot
489 it will refuse to continue.
490
491
492 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
493 @c    node-name, next, previous, up
494 @section Configuration
495 @cindex configuration
496 @cindex Autoconf
497
498 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
499 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
500 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
501 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
502 prompts, all customization must be done either via command line
503 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
504 the complete set of which can be listed by calling it with the
505 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
506 described in what follows:
507
508 @itemize @bullet
509
510 @item
511 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
512 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
513 when developing because it considerably speeds up compilation.
514
515 @item
516 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
517 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
518 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
519 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
520 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
521
522 @item
523 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
524 the library installed in some other directory than
525 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
526
527 @item
528 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
529 to have the header files installed in some other directory than
530 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
531 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
532 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
533 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
534 keep the header files separated from others.  This avoids some
535 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
536 to be considered A Good Thing (tm).
537
538 @item
539 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
540 want to have the documentation installed in some other directory than
541 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
542
543 @end itemize
544
545 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
546 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
547 override the default in your path.  (The @command{configure} script
548 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
549 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
550 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
551 environment variable, like optimization, debugging information and
552 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
553 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
554 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
555 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from CVS, you
556 must generate @command{configure} along with the various
557 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
558 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
559
560 The whole process is illustrated in the following two
561 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
562 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
563 your login shell.)
564
565 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
566 everything is in default paths:
567
568 @example
569 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
570 $ ./configure
571 @end example
572
573 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
574 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
575 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
576 debugging information are switched on:
577
578 @example
579 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
580 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
581 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
582 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
583 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
584 @end example
585
586
587 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
588 @c    node-name, next, previous, up
589 @section Building GiNaC
590 @cindex building GiNaC
591
592 After proper configuration you should just build the whole
593 library by typing
594 @example
595 $ make
596 @end example
597 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
598 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
599 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
600 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
601
602 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
603 regression tests by typing
604
605 @example
606 $ make check
607 @end example
608
609 This will compile some sample programs, run them and check the output
610 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
611 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
612 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
613 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
614 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
615 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
616 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
617 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
618 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
619 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
620 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
621 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
622 to fiddle around with optimization.
623
624 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
625 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
626 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
627
628 @example
629 $ make html
630 $ make dvi
631 $ make ps
632 $ make pdf
633 @end example
634
635 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
636 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
637 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
638 @var{target} there in case something went wrong.
639
640
641 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
642 @c    node-name, next, previous, up
643 @section Installing GiNaC
644 @cindex installation
645
646 To install GiNaC on your system, simply type
647
648 @example
649 $ make install
650 @end example
651
652 As described in the section about configuration the files will be
653 installed in the following directories (the directories will be created
654 if they don't already exist):
655
656 @itemize @bullet
657
658 @item
659 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
660 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
661 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
662 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
663 will be established as well.
664
665 @item
666 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
667 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
668
669 @item
670 All documentation (info) will be stuffed into
671 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
672 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
673
674 @end itemize
675
676 For the sake of completeness we will list some other useful make
677 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
678 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
679 distclean} removes all files generated by the configuration and
680 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
681 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
682 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
683 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
684 work after you have called @command{make distclean} since the
685 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
686 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
687 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
688 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
689 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
690 do it by hand since you now know where all the files went during
691 installation.}.
692
693
694 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
695 @c    node-name, next, previous, up
696 @chapter Basic concepts
697
698 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
699 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
700 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
701 meta-class for storing all mathematical objects.
702
703 @menu
704 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
705 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
706 * Error handling::               How the library reports errors.
707 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
708 * Symbols::                      Symbolic objects.
709 * Numbers::                      Numerical objects.
710 * Constants::                    Pre-defined constants.
711 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
712 * Lists::                        Lists of expressions.
713 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
714 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
715 * Integrals::                    Symbolic integrals.
716 * Matrices::                     Matrices.
717 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
718 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
719 * Hash maps::                    A faster alternative to std::map<>.
720 @end menu
721
722
723 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
724 @c    node-name, next, previous, up
725 @section Expressions
726 @cindex expression (class @code{ex})
727 @cindex @code{has()}
728
729 The most common class of objects a user deals with is the expression
730 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
731 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
732 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
733 little collection of valid expressions:
734
735 @example
736 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
737 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
738 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
739 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
740 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
741 @end example
742
743 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
744 contain other expressions thus creating a tree of expressions
745 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
746 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
747 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
748 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
749 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
750 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
751
752 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
753 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
754 @code{ex}.
755
756 @subsection Note: Expressions and STL containers
757
758 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
759 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
760 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
761 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
762
763 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
764 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
765 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
766 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
767 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
768
769 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
770 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
771
772 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
773 expressions.
774
775
776 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
777 @c    node-name, next, previous, up
778 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
779 @cindex evaluation
780
781 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
782 them and put them into a canonical form. Some examples:
783
784 @example
785 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
786 ex MyEx2 = x - x;        // 0
787 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
788 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
789 @end example
790
791 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
792 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
793
794 @itemize @bullet
795 @item
796 at most of complexity
797 @tex
798 $O(n\log n)$
799 @end tex
800 @ifnottex
801 @math{O(n log n)}
802 @end ifnottex
803 @item
804 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
805 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
806 @end itemize
807
808 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
809 behave in an entirely obvious way at first glance:
810
811 @itemize
812 @item
813 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
814 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
815 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
816 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
817 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
818 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
819 canonical form.
820 @item
821 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
822 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
823 example
824 @example
825 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
826 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
827 @end example
828 @end itemize
829
830 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
831 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
832 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
833 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
834 some immediate simplifications.
835
836 @cindex @code{eval()}
837 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
838
839 @example
840 ex ex::eval(int level = 0) const;
841 ex basic::eval(int level = 0) const;
842 @end example
843
844 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
845 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
846 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
847 re-evaluate their results.
848
849
850 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
851 @c    node-name, next, previous, up
852 @section Error handling
853 @cindex exceptions
854 @cindex @code{pole_error} (class)
855
856 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
857 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
858 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
859 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
860 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
861 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
862 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
863 at a singularity.
864
865 The @code{pole_error} class has a member function
866
867 @example
868 int pole_error::degree() const;
869 @end example
870
871 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
872 logarithmic or the order is undefined).
873
874 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
875 the main program even if you don't want to do any special error handling.
876 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
877 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
878 usually only aborts the program without giving any information what went
879 wrong.
880
881 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
882 exceptions generated by GiNaC:
883
884 @example
885 #include <iostream>
886 #include <stdexcept>
887 #include <ginac/ginac.h>
888 using namespace std;
889 using namespace GiNaC;
890
891 int main()
892 @{
893     try @{
894         ...
895         // code using GiNaC
896         ...
897     @} catch (exception &p) @{
898         cerr << p.what() << endl;
899         return 1;
900     @}
901     return 0;
902 @}
903 @end example
904
905
906 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
907 @c    node-name, next, previous, up
908 @section The class hierarchy
909
910 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
911 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
912 helpers) are internally derived from one abstract base class called
913 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
914 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
915 containers of expressions and so on.
916
917 @cindex container
918 @cindex atom
919 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
920 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
921 some of the relations among the classes:
922
923 @image{classhierarchy}
924
925 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
926 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
927 duplication if two or more classes derived from them share certain
928 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
929 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
930 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
931 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
932 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
933 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
934 are stored in the different classes:
935
936 @cartouche
937 @multitable @columnfractions .22 .78
938 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
939 @item @code{constant} @tab Constants like 
940 @tex
941 $\pi$
942 @end tex
943 @ifnottex
944 @math{Pi}
945 @end ifnottex
946 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
947 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
948 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
949 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
950 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
951 @tex
952 $\sqrt{2}$
953 @end tex
954 @ifnottex
955 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
956 @end ifnottex
957 @dots{}
958 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
959 @item @code{function} @tab A symbolic function like
960 @tex
961 $\sin 2x$
962 @end tex
963 @ifnottex
964 @math{sin(2*x)}
965 @end ifnottex
966 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
967 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
968 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
969 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
970 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
971 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
972 @item @code{varidx} @tab Index with variance
973 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
974 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
975 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
976 @end multitable
977 @end cartouche
978
979
980 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
981 @c    node-name, next, previous, up
982 @section Symbols
983 @cindex @code{symbol} (class)
984 @cindex hierarchy of classes
985
986 @cindex atom
987 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
988 manipulation what atoms are for chemistry.
989
990 A typical symbol definition looks like this:
991 @example
992 symbol x("x");
993 @end example
994
995 This definition actually contains three very different things:
996 @itemize
997 @item a C++ variable named @code{x}
998 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
999   represents the symbol in a GiNaC expression
1000 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1001   exclusively for printing expressions holding the symbol
1002 @end itemize
1003
1004 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1005 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1006 throws them away during compilation.
1007
1008 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1009 @example
1010 symbol x;
1011 @end example
1012
1013 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1014 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1015 the output of your calculations will become more readable if you give your
1016 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1017 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1018
1019 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1020 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1021 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1022 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1023 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1024 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1025 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1026 indeterminate.
1027
1028 Observe:
1029 @example
1030 ex f(int n)
1031 @{
1032     symbol x("x");
1033     return pow(x, n);
1034 @}
1035
1036 int main()
1037 @{
1038     symbol x("x");
1039     ex e = f(6);
1040
1041     cout << e << endl;
1042      // prints "x^6" which looks right, but...
1043
1044     cout << e.degree(x) << endl;
1045      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1046      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1047      // prints "0".
1048 @}
1049 @end example
1050
1051 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1052 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1053 @example
1054 ex f(int n, const ex & x)
1055 @{
1056     return pow(x, n);
1057 @}
1058
1059 int main()
1060 @{
1061     symbol x("x");
1062
1063     // Now, f() uses the same symbol.
1064     ex e = f(6, x);
1065
1066     cout << e.degree(x) << endl;
1067      // prints "6", as expected
1068 @}
1069 @end example
1070
1071 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1072 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1073 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1074 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1075 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1076 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1077 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1078 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1079 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1080 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1081 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1082
1083 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1084 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1085 like this one:
1086 @example
1087 const symbol & get_symbol(const string & s)
1088 @{
1089     static map<string, symbol> directory;
1090     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1091     if (i != directory.end())
1092         return i->second;
1093     else
1094         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1095 @}
1096 @end example
1097
1098 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1099 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1100 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1101 this:
1102 @example
1103 ex f(int n)
1104 @{
1105     return pow(get_symbol("x"), n);
1106 @}
1107
1108 int main()
1109 @{
1110     ex e = f(6);
1111
1112     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1113     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1114      // prints "6"
1115 @}
1116 @end example
1117
1118 Instead of creating symbols from strings we could also have
1119 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1120 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1121 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1122 @code{ostringstream}.
1123
1124 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1125 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1126 definitions.
1127
1128 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1129 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1130 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1131 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1132
1133 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1134 in LaTeX output:
1135 @example
1136 symbol x("x", "\\Box");
1137 @end example
1138
1139 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1140 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1141 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1142 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1143 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.).
1144
1145 @cindex @code{subs()}
1146 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1147 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1148 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1149 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1150 (@pxref{Substituting expressions}).
1151
1152 @cindex @code{realsymbol()}
1153 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1154 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1155 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1156 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1157 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1158 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1159 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1160 allows you to specify
1161 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1162 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1163
1164 @cindex @code{possymbol()}
1165 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1166 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1167 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1168
1169
1170 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1171 @c    node-name, next, previous, up
1172 @section Numbers
1173 @cindex @code{numeric} (class)
1174
1175 @cindex GMP
1176 @cindex CLN
1177 @cindex rational
1178 @cindex fraction
1179 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1180 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1181 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1182 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1183 the documentation of that library.  @inforef{Introduction, , cln}, for
1184 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1185 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1186 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1187 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1188 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1189 several useful things: First, it introduces the complex number field
1190 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1191 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1192 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1193 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1194 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1195 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1196 calculation of some useful constants.
1197
1198 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1199 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1200 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1201 integers, construction from C-float and construction from a string:
1202
1203 @example
1204 #include <iostream>
1205 #include <ginac/ginac.h>
1206 using namespace GiNaC;
1207
1208 int main()
1209 @{
1210     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1211     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1212     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1213     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1214     // Trott's constant in scientific notation:
1215     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1216     
1217     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1218     ...
1219 @end example
1220
1221 @cindex @code{I}
1222 @cindex complex numbers
1223 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1224 name @code{I}:
1225
1226 @example
1227     ...
1228     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1229     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1230 @}
1231 @end example
1232
1233 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1234 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1235 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1236 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1237 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1238 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1239 also.
1240
1241 @cindex @code{Digits}
1242 @cindex accuracy
1243 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1244 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1245 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1246 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1247 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1248 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1249 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1250 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1251 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1252 digits:
1253
1254 @example
1255 #include <iostream>
1256 #include <ginac/ginac.h>
1257 using namespace std;
1258 using namespace GiNaC;
1259
1260 void foo()
1261 @{
1262     numeric three(3.0), one(1.0);
1263     numeric x = one/three;
1264
1265     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1266     cout << x << endl;
1267     cout << Pi.evalf() << endl;
1268 @}
1269
1270 int main()
1271 @{
1272     foo();
1273     Digits = 60;
1274     foo();
1275     return 0;
1276 @}
1277 @end example
1278
1279 The above example prints the following output to screen:
1280
1281 @example
1282 in 17 digits:
1283 0.33333333333333333334
1284 3.1415926535897932385
1285 in 60 digits:
1286 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1287 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1288 @end example
1289
1290 @cindex rounding
1291 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1292 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1293 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1294 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1295 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1296 architectures with different word size, the above output might even
1297 differ with regard to actually computed digits.
1298
1299 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1300 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1301 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1302
1303 @subsection Tests on numbers
1304
1305 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1306 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1307 kind of information from them like asking whether that number is
1308 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1309 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1310 certain CLN functions.)
1311
1312 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1313 some multiple of its denominator and test what comes out:
1314
1315 @example
1316 #include <iostream>
1317 #include <ginac/ginac.h>
1318 using namespace std;
1319 using namespace GiNaC;
1320
1321 // some very important constants:
1322 const numeric twentyone(21);
1323 const numeric ten(10);
1324 const numeric five(5);
1325
1326 int main()
1327 @{
1328     numeric answer = twentyone;
1329
1330     answer /= five;
1331     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1332     answer *= ten;
1333     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1334 @}
1335 @end example
1336
1337 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1338 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1339 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1340 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1341 the result is automatically converted to a pure integer again.
1342 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1343 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1344 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1345 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1346 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1347 can be applied is listed in the following table.
1348
1349 @cartouche
1350 @multitable @columnfractions .30 .70
1351 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1352 @item @code{.is_zero()}
1353 @tab @dots{}equal to zero
1354 @item @code{.is_positive()}
1355 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1356 @item @code{.is_negative()}
1357 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1358 @item @code{.is_integer()}
1359 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1360 @item @code{.is_pos_integer()}
1361 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1362 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1363 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1364 @item @code{.is_even()}
1365 @tab @dots{}an even integer
1366 @item @code{.is_odd()}
1367 @tab @dots{}an odd integer
1368 @item @code{.is_prime()}
1369 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1370 @item @code{.is_rational()}
1371 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1372 @item @code{.is_real()}
1373 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1374 @item @code{.is_cinteger()}
1375 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1376 @item @code{.is_crational()}
1377 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1378 @end multitable
1379 @end cartouche
1380
1381 @page
1382
1383 @subsection Numeric functions
1384
1385 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1386 evaluated immediately:
1387
1388 @cartouche
1389 @multitable @columnfractions .30 .70
1390 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1391 @item @code{inverse(z)}
1392 @tab returns @math{1/z}
1393 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1394 @item @code{pow(a, b)}
1395 @tab exponentiation @math{a^b}
1396 @item @code{abs(z)}
1397 @tab absolute value
1398 @item @code{real(z)}
1399 @tab real part
1400 @cindex @code{real()}
1401 @item @code{imag(z)}
1402 @tab imaginary part
1403 @cindex @code{imag()}
1404 @item @code{csgn(z)}
1405 @tab complex sign (returns an @code{int})
1406 @item @code{step(x)}
1407 @tab step function (returns an @code{numeric})
1408 @item @code{numer(z)}
1409 @tab numerator of rational or complex rational number
1410 @item @code{denom(z)}
1411 @tab denominator of rational or complex rational number
1412 @item @code{sqrt(z)}
1413 @tab square root
1414 @item @code{isqrt(n)}
1415 @tab integer square root
1416 @cindex @code{isqrt()}
1417 @item @code{sin(z)}
1418 @tab sine
1419 @item @code{cos(z)}
1420 @tab cosine
1421 @item @code{tan(z)}
1422 @tab tangent
1423 @item @code{asin(z)}
1424 @tab inverse sine
1425 @item @code{acos(z)}
1426 @tab inverse cosine
1427 @item @code{atan(z)}
1428 @tab inverse tangent
1429 @item @code{atan(y, x)}
1430 @tab inverse tangent with two arguments
1431 @item @code{sinh(z)}
1432 @tab hyperbolic sine
1433 @item @code{cosh(z)}
1434 @tab hyperbolic cosine
1435 @item @code{tanh(z)}
1436 @tab hyperbolic tangent
1437 @item @code{asinh(z)}
1438 @tab inverse hyperbolic sine
1439 @item @code{acosh(z)}
1440 @tab inverse hyperbolic cosine
1441 @item @code{atanh(z)}
1442 @tab inverse hyperbolic tangent
1443 @item @code{exp(z)}
1444 @tab exponential function
1445 @item @code{log(z)}
1446 @tab natural logarithm
1447 @item @code{Li2(z)}
1448 @tab dilogarithm
1449 @item @code{zeta(z)}
1450 @tab Riemann's zeta function
1451 @item @code{tgamma(z)}
1452 @tab gamma function
1453 @item @code{lgamma(z)}
1454 @tab logarithm of gamma function
1455 @item @code{psi(z)}
1456 @tab psi (digamma) function
1457 @item @code{psi(n, z)}
1458 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1459 @item @code{factorial(n)}
1460 @tab factorial function @math{n!}
1461 @item @code{doublefactorial(n)}
1462 @tab double factorial function @math{n!!}
1463 @cindex @code{doublefactorial()}
1464 @item @code{binomial(n, k)}
1465 @tab binomial coefficients
1466 @item @code{bernoulli(n)}
1467 @tab Bernoulli numbers
1468 @cindex @code{bernoulli()}
1469 @item @code{fibonacci(n)}
1470 @tab Fibonacci numbers
1471 @cindex @code{fibonacci()}
1472 @item @code{mod(a, b)}
1473 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1474 @cindex @code{mod()}
1475 @item @code{smod(a, b)}
1476 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b)-1, 2), iquo(abs(b), 2)]})
1477 @cindex @code{smod()}
1478 @item @code{irem(a, b)}
1479 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1480 @cindex @code{irem()}
1481 @item @code{irem(a, b, q)}
1482 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1483 @item @code{iquo(a, b)}
1484 @tab integer quotient
1485 @cindex @code{iquo()}
1486 @item @code{iquo(a, b, r)}
1487 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1488 @item @code{gcd(a, b)}
1489 @tab greatest common divisor
1490 @item @code{lcm(a, b)}
1491 @tab least common multiple
1492 @end multitable
1493 @end cartouche
1494
1495 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1496 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1497 as polynomial algorithms.
1498
1499 @subsection Converting numbers
1500
1501 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1502 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1503 class provides a couple of methods for this purpose:
1504
1505 @cindex @code{to_int()}
1506 @cindex @code{to_long()}
1507 @cindex @code{to_double()}
1508 @cindex @code{to_cl_N()}
1509 @example
1510 int numeric::to_int() const;
1511 long numeric::to_long() const;
1512 double numeric::to_double() const;
1513 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1514 @end example
1515
1516 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1517 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1518 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1519 rational number will return a floating-point approximation. Both
1520 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1521 part of complex numbers.
1522
1523
1524 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1525 @c    node-name, next, previous, up
1526 @section Constants
1527 @cindex @code{constant} (class)
1528
1529 @cindex @code{Pi}
1530 @cindex @code{Catalan}
1531 @cindex @code{Euler}
1532 @cindex @code{evalf()}
1533 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1534 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1535
1536 The predefined known constants are:
1537
1538 @cartouche
1539 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1540 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1541 @item @code{Pi}
1542 @tab Archimedes' constant
1543 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1544 @item @code{Catalan}
1545 @tab Catalan's constant
1546 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1547 @item @code{Euler}
1548 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1549 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1550 @end multitable
1551 @end cartouche
1552
1553
1554 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1555 @c    node-name, next, previous, up
1556 @section Sums, products and powers
1557 @cindex polynomial
1558 @cindex @code{add}
1559 @cindex @code{mul}
1560 @cindex @code{power}
1561
1562 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1563 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1564 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1565 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1566 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1567 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1568 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1569 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1570
1571 @example
1572     ...
1573     symbol a("a"), b("b");
1574     ex MyTerm = 1+a*b;
1575     ...
1576 @end example
1577
1578 @cindex @code{pow()}
1579 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1580 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1581 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1582 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1583 have several counterintuitive and undesired effects:
1584
1585 @itemize @bullet
1586 @item
1587 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1588 @item
1589 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1590 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1591 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1592 @item
1593 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1594 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1595 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1596 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1597 has requested @code{2^3}.)
1598 @end itemize
1599
1600 @cindex @command{ginsh}
1601 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1602 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1603 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1604 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1605 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1606 not exist at all in C++).
1607
1608 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1609 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1610 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1611 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1612 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1613 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1614 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1615 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1616 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1617 @code{x} negative.
1618
1619 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1620 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1621 and safe simplifications are carried out like transforming
1622 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1623
1624
1625 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1626 @c    node-name, next, previous, up
1627 @section Lists of expressions
1628 @cindex @code{lst} (class)
1629 @cindex lists
1630 @cindex @code{nops()}
1631 @cindex @code{op()}
1632 @cindex @code{append()}
1633 @cindex @code{prepend()}
1634 @cindex @code{remove_first()}
1635 @cindex @code{remove_last()}
1636 @cindex @code{remove_all()}
1637
1638 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1639 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1640 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1641 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1642 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1643
1644 Lists can be constructed by assigning a comma-separated sequence of
1645 expressions:
1646
1647 @example
1648 @{
1649     symbol x("x"), y("y");
1650     lst l;
1651     l = x, 2, y, x+y;
1652     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1653     // in that order
1654     ...
1655 @end example
1656
1657 There are also constructors that allow direct creation of lists of up to
1658 16 expressions, which is often more convenient but slightly less efficient:
1659
1660 @example
1661     ...
1662     // This produces the same list 'l' as above:
1663     // lst l(x, 2, y, x+y);
1664     // lst l = lst(x, 2, y, x+y);
1665     ...
1666 @end example
1667
1668 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1669 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1670 individual elements:
1671
1672 @example
1673     ...
1674     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1675     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1676     ...
1677 @end example
1678
1679 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1680 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1681 sequential access to the elements of a list is possible with the
1682 iterator types provided by the @code{lst} class:
1683
1684 @example
1685 typedef ... lst::const_iterator;
1686 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1687 lst::const_iterator lst::begin() const;
1688 lst::const_iterator lst::end() const;
1689 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1690 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1691 @end example
1692
1693 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1694
1695 @example
1696     ...
1697     // O(N)
1698     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1699         cout << *i << endl;
1700     ...
1701 @end example
1702
1703 which is one order faster than
1704
1705 @example
1706     ...
1707     // O(N^2)
1708     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1709         cout << l.op(i) << endl;
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1714 the C++ standard library:
1715
1716 @example
1717     ...
1718     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1719     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1720
1721     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1722     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1723     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1724     ...
1725 @end example
1726
1727 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1728 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1729
1730 @example
1731     ...
1732     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1733     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1738 and @code{prepend()} methods:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1743     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1748 and @code{remove_last()}:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1754     ...
1755 @end example
1756
1757 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1758
1759 @example
1760     ...
1761     l.remove_all();     // l is now empty
1762     ...
1763 @end example
1764
1765 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1766
1767 @example
1768     ...
1769     lst l1, l2;
1770     l1 = x, 2, y, x+y;
1771     l2 = 2, x+y, x, y;
1772     l1.sort();
1773     l2.sort();
1774     // l1 and l2 are now equal
1775     ...
1776 @end example
1777
1778 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1779 elements with @code{unique()}:
1780
1781 @example
1782     ...
1783     lst l3;
1784     l3 = x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x;
1785     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1786 @}
1787 @end example
1788
1789
1790 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1791 @c    node-name, next, previous, up
1792 @section Mathematical functions
1793 @cindex @code{function} (class)
1794 @cindex trigonometric function
1795 @cindex hyperbolic function
1796
1797 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1798 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1799 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1800
1801 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1802 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1803 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1804 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1805 the next example, showing how a function returns itself twice and
1806 finally an expression that may be really useful:
1807
1808 @cindex Gamma function
1809 @cindex @code{subs()}
1810 @example
1811     ...
1812     symbol x("x"), y("y");    
1813     ex foo = x+y/2;
1814     cout << tgamma(foo) << endl;
1815      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1816     ex bar = foo.subs(y==1);
1817     cout << tgamma(bar) << endl;
1818      // -> tgamma(x+1/2)
1819     ex foobar = bar.subs(x==7);
1820     cout << tgamma(foobar) << endl;
1821      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1822     ...
1823 @end example
1824
1825 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1826 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1827 this.
1828
1829 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1830 functions, where the argument list is templated.  This means that
1831 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1832 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1833 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1834 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1835 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1836 point number of class @code{numeric} you should call
1837 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1838 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1839 wrapped inside an @code{ex}.
1840
1841
1842 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1843 @c    node-name, next, previous, up
1844 @section Relations
1845 @cindex @code{relational} (class)
1846
1847 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1848 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1849 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1850 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1851 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1852 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1853
1854 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1855 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1856 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1857 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1858 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1859 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1860 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1861 unknown variables.  But the most common usage of objects of this class
1862 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1863 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1864 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1865 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1866 @code{expand()} must be called explicitly.
1867
1868 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1869 @c    node-name, next, previous, up
1870 @section Integrals
1871 @cindex @code{integral} (class)
1872
1873 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1874 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1875 1, you would write this as
1876 @example
1877 integral(x, 0, 1, x*x)
1878 @end example
1879 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1880 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1881 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1882 can be evaluated symbolically by calling the
1883 @example
1884 .eval_integ()
1885 @end example
1886 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1887 @example
1888 .evalf()
1889 @end example
1890 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1891 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1892 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1893 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1894 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1895 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1896 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1897 integrals is determined by the static member variable
1898 @example
1899 ex integral::relative_integration_error
1900 @end example
1901 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1902 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1903 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1904 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1905 variable
1906 @example
1907 int integral::max_integration_level
1908 @end example
1909 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1910 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1911 evaluation, is also available as
1912 @example
1913 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1914                    const ex & error)
1915 @end example
1916 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1917 last parameter of the function is optional and defaults to the
1918 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1919 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1920 a lookup table is used.
1921
1922 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1923 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1924 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1925 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1926 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1927 with respect to the integration variable.
1928
1929 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1930 @c    node-name, next, previous, up
1931 @section Matrices
1932 @cindex @code{matrix} (class)
1933
1934 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1935 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1936 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1937 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1938
1939 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1940 elements. The constructor
1941
1942 @example
1943 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1944 @end example
1945
1946 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1947 set to zero.
1948
1949 The fastest way to create a matrix with preinitialized elements is to assign
1950 a list of comma-separated expressions to an empty matrix (see below for an
1951 example). But you can also specify the elements as a (flat) list with
1952
1953 @example
1954 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1955 @end example
1956
1957 The function
1958
1959 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1960 @example
1961 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1962 @end example
1963
1964 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1965
1966 There is also a set of functions for creating some special types of
1967 matrices:
1968
1969 @cindex @code{diag_matrix()}
1970 @cindex @code{unit_matrix()}
1971 @cindex @code{symbolic_matrix()}
1972 @example
1973 ex diag_matrix(const lst & l);
1974 ex unit_matrix(unsigned x);
1975 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
1976 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
1977 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
1978                    const string & tex_base_name);
1979 @end example
1980
1981 @code{diag_matrix()} constructs a diagonal matrix given the list of diagonal
1982 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
1983 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
1984 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
1985 and the position of each element in the matrix.
1986
1987 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
1988 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
1989 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
1990 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
1991 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
1992 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
1993
1994 @cindex @code{sub_matrix()}
1995 @cindex @code{reduced_matrix()}
1996 @example
1997 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
1998 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
1999 @end example
2000
2001 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2002 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2003 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2004 that specify which row and column to remove:
2005
2006 @example
2007 @{
2008     matrix m(3,3);
2009     m = 11, 12, 13,
2010         21, 22, 23,
2011         31, 32, 33;
2012     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2013     // -> [[11,13],[31,33]]
2014     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2015     // -> [[22,23],[32,33]]
2016 @}
2017 @end example
2018
2019 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2020 operator:
2021
2022 @example
2023 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2024 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2025 @end example
2026
2027 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2028 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2029 @samp{[]} is not available.
2030
2031 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2032
2033 @example
2034 @{
2035     symbol a("a"), b("b");
2036
2037     matrix M(2, 2);
2038     M = a, 0,
2039         0, b;
2040     cout << M << endl;
2041      // -> [[a,0],[0,b]]
2042
2043     matrix M2(2, 2);
2044     M2(0, 0) = a;
2045     M2(1, 1) = b;
2046     cout << M2 << endl;
2047      // -> [[a,0],[0,b]]
2048
2049     cout << matrix(2, 2, lst(a, 0, 0, b)) << endl;
2050      // -> [[a,0],[0,b]]
2051
2052     cout << lst_to_matrix(lst(lst(a, 0), lst(0, b))) << endl;
2053      // -> [[a,0],[0,b]]
2054
2055     cout << diag_matrix(lst(a, b)) << endl;
2056      // -> [[a,0],[0,b]]
2057
2058     cout << unit_matrix(3) << endl;
2059      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2060
2061     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2062      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2063 @}
2064 @end example
2065
2066 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2067 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2068 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2069 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2070 expression is zero or a zero matrix.
2071
2072 @cindex @code{transpose()}
2073 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2074 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2075
2076 @example
2077 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2078 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2079 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2080 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2081 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2082 matrix matrix::transpose() const;
2083 @end example
2084
2085 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2086 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2087 and @math{C}:
2088
2089 @example
2090 @{
2091     matrix A(2, 2), B(2, 2), C(2, 2);
2092     A =  1, 2,
2093          3, 4;
2094     B = -1, 0,
2095          2, 1;
2096     C =  8, 4,
2097          2, 1;
2098
2099     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2100     cout << result << endl;
2101      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2102     ...
2103 @}
2104 @end example
2105
2106 @cindex @code{evalm()}
2107 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2108 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2109 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2110 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2111 method
2112
2113 @example
2114 ex ex::evalm() const;
2115 @end example
2116
2117 to obtain the result:
2118
2119 @example
2120 @{
2121     ...
2122     ex e = A*B - 2*C;
2123     cout << e << endl;
2124      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2125     cout << e.evalm() << endl;
2126      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2127     ...
2128 @}
2129 @end example
2130
2131 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2132 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2133 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2134 dealing with non-commutative expressions.
2135
2136 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2137 to perform the arithmetic:
2138
2139 @example
2140 @{
2141     ...
2142     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2143     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2144     cout << e << endl;
2145      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2146     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2147      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2148 @}
2149 @end example
2150
2151 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2152 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2153 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2154 more information about using matrices with indices, and about indices in
2155 general.
2156
2157 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2158 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2159
2160 @cindex @code{determinant()}
2161 @cindex @code{trace()}
2162 @cindex @code{charpoly()}
2163 @cindex @code{rank()}
2164 @example
2165 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2166 ex matrix::trace() const;
2167 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2168 unsigned matrix::rank() const;
2169 @end example
2170
2171 The @samp{algo} argument of @code{determinant()} allows to select
2172 between different algorithms for calculating the determinant.  The
2173 asymptotic speed (as parametrized by the matrix size) can greatly differ
2174 between those algorithms, depending on the nature of the matrix'
2175 entries.  The possible values are defined in the @file{flags.h} header
2176 file.  By default, GiNaC uses a heuristic to automatically select an
2177 algorithm that is likely (but not guaranteed) to give the result most
2178 quickly.
2179
2180 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2181 @cindex @code{solve()}
2182 Matrices may also be inverted using the @code{ex matrix::inverse()}
2183 method and linear systems may be solved with:
2184
2185 @example
2186 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2187                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2188 @end example
2189
2190 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2191 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2192 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2193 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2194 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2195 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2196 overdetermined, an exception is thrown.
2197
2198
2199 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2200 @c    node-name, next, previous, up
2201 @section Indexed objects
2202
2203 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2204 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2205 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2206 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2207
2208 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2209 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2210 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2211 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2212
2213 @cindex @code{idx} (class)
2214 @cindex @code{indexed} (class)
2215 @subsection Indexed quantities and their indices
2216
2217 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2218 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2219
2220 @itemize @bullet
2221
2222 @cindex contravariant
2223 @cindex covariant
2224 @cindex variance
2225 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2226 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2227 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2228 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2229 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2230 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2231
2232 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2233 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2234 one or more indices.
2235
2236 @end itemize
2237
2238 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2239 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2240 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2241 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2242 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2243 not visible in the output.
2244
2245 A simple example shall illustrate the concepts:
2246
2247 @example
2248 #include <iostream>
2249 #include <ginac/ginac.h>
2250 using namespace std;
2251 using namespace GiNaC;
2252
2253 int main()
2254 @{
2255     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2256     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2257
2258     symbol A("A");
2259     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2260      // -> A.i.j
2261     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2262      // -> A.i[3].j[3]
2263     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2264     ...
2265 @end example
2266
2267 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2268 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2269 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2270 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2271 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2272 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2273 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2274 @code{j}.
2275
2276 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2277 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2278 as shown above.
2279
2280 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2281 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2282 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2283 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2284 correct and will raise an exception:
2285
2286 @example
2287 symbol i("i"), j("j");
2288 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2289 @end example
2290
2291 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2292 be numeric, and index dimensions symbolic:
2293
2294 @example
2295     ...
2296     symbol B("B"), dim("dim");
2297     cout << 4 * indexed(A, i)
2298           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2299      // -> B.j.2.i+4*A.i
2300     ...
2301 @end example
2302
2303 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2304 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2305 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2306 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2307 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2308
2309 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2310 arbitrary expressions:
2311
2312 @example
2313     ...
2314     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2315      // -> (B+A).(1+2*i)
2316     ...
2317 @end example
2318
2319 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2320 get an error message from this but you will probably not be able to do
2321 anything useful with it.
2322
2323 @cindex @code{get_value()}
2324 @cindex @code{get_dimension()}
2325 The methods
2326
2327 @example
2328 ex idx::get_value();
2329 ex idx::get_dimension();
2330 @end example
2331
2332 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2333 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2334 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2335 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2336
2337 There are also the methods
2338
2339 @example
2340 bool idx::is_numeric();
2341 bool idx::is_symbolic();
2342 bool idx::is_dim_numeric();
2343 bool idx::is_dim_symbolic();
2344 @end example
2345
2346 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2347 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2348 about expressions}) returns information about the index value.
2349
2350 @cindex @code{varidx} (class)
2351 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2352
2353 @example
2354     ...
2355     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2356     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2357     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2358
2359     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2360      // -> A~mu~nu
2361     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2362      // -> A.mu~nu
2363     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2364      // -> A.mu~nu
2365     ...
2366 @end example
2367
2368 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2369 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2370 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2371 constructor. The two methods
2372
2373 @example
2374 bool varidx::is_covariant();
2375 bool varidx::is_contravariant();
2376 @end example
2377
2378 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2379 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2380 method
2381
2382 @example
2383 ex varidx::toggle_variance();
2384 @end example
2385
2386 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2387 variance. By using it you only have to define the index once.
2388
2389 @cindex @code{spinidx} (class)
2390 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2391 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2392
2393 @example
2394     ...
2395     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2396     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2397                                             // contravariant, undotted
2398     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2399     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2400     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2401
2402     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2403      // -> K~C~D
2404     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2405      // -> K.C~*D
2406     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2407      // -> K.*D~D
2408     ...
2409 @end example
2410
2411 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2412 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2413 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2414 methods
2415
2416 @example
2417 bool spinidx::is_dotted();
2418 bool spinidx::is_undotted();
2419 @end example
2420
2421 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2422 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2423 Finally, the two methods
2424
2425 @example
2426 ex spinidx::toggle_dot();
2427 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2428 @end example
2429
2430 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2431 and the same or opposite variance.
2432
2433 @subsection Substituting indices
2434
2435 @cindex @code{subs()}
2436 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2437 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2438 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2439 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2440
2441 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2442 by another index or expression:
2443
2444 @example
2445     ...
2446     ex e = indexed(A, mu_co);
2447     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2448      // -> A.mu becomes A~nu
2449     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2450      // -> A.mu becomes A~0
2451     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2452      // -> A.mu becomes A.0
2453     ...
2454 @end example
2455
2456 The third example shows that trying to replace an index with something that
2457 is not an index will substitute the index value instead.
2458
2459 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2460 another expression:
2461
2462 @example
2463     ...
2464     ex e = indexed(A, mu_co);
2465     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2466      // -> A.mu becomes A.nu
2467     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2468      // -> A.mu becomes A.0
2469     ...
2470 @end example
2471
2472 As you see, with the second method only the value of the index will get
2473 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2474 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2475 whole index by another one with the new dimension.
2476
2477 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2478 expected:
2479
2480 @example
2481     ...
2482     ex e = indexed(A, mu_co);
2483     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2484      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2485     ...
2486 @end example
2487
2488 @subsection Symmetries
2489 @cindex @code{symmetry} (class)
2490 @cindex @code{sy_none()}
2491 @cindex @code{sy_symm()}
2492 @cindex @code{sy_anti()}
2493 @cindex @code{sy_cycl()}
2494
2495 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2496 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2497 that is constructed with the helper functions
2498
2499 @example
2500 symmetry sy_none(...);
2501 symmetry sy_symm(...);
2502 symmetry sy_anti(...);
2503 symmetry sy_cycl(...);
2504 @end example
2505
2506 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2507 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2508 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2509 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2510 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2511 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2512 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2513 all indices.
2514
2515 Here are some examples of symmetry definitions:
2516
2517 @example
2518     ...
2519     // No symmetry:
2520     e = indexed(A, i, j);
2521     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2522     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2523
2524     // Symmetric in all three indices:
2525     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2526     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2527     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2528                                                // different canonical order
2529
2530     // Symmetric in the first two indices only:
2531     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2532     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2533
2534     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2535     // be contiguous):
2536     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2537     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2538
2539     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2540     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2541     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2542     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2543
2544     // Cyclic symmetry in all three indices:
2545     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2546     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2547
2548     // The following examples are invalid constructions that will throw
2549     // an exception at run time.
2550
2551     // An index may not appear multiple times:
2552     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2553     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2554
2555     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2556     // same number of indices:
2557     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2558
2559     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2560     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2561     ...
2562 @end example
2563
2564 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2565 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2566 full symmetry in the first six indices you would write
2567 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2568
2569 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2570 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2571
2572 @example
2573     ...
2574     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2575           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2576      // -> 2*A.j.i
2577     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2578           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2579      // -> 0
2580     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2581           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2582      // -> 0
2583     ...
2584 @end example
2585
2586 @cindex @code{get_free_indices()}
2587 @cindex dummy index
2588 @subsection Dummy indices
2589
2590 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2591 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2592 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2593 dummy nor free indices.
2594
2595 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2596 class and their value must be the same single symbol (an index like
2597 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2598 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2599 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2600
2601 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2602 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2603 of a sum are consistent:
2604
2605 @example
2606 @{
2607     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2608
2609     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2610     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2611
2612     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2613     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2614      // -> (.i,.k)
2615      // 'j' and 'l' are dummy indices
2616
2617     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2618     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2619
2620     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2621       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2622     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2623      // -> (~mu,~rho)
2624      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2625
2626     e = indexed(A, mu, mu);
2627     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2628      // -> (~mu)
2629      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2630      // variance
2631
2632     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2633     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2634      // this will throw an exception:
2635      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2636 @}
2637 @end example
2638
2639 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2640 A dummy index summation like 
2641 @tex
2642 $ a_i b^i$
2643 @end tex
2644 @ifnottex
2645 a.i b~i
2646 @end ifnottex
2647 can be expanded for indices with numeric
2648 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2649 @tex
2650 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2651 @end tex
2652 @ifnottex
2653 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2654 @end ifnottex
2655 This is performed by the function
2656
2657 @example
2658     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2659 @end example
2660
2661 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2662 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2663 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2664 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2665 @tex
2666 $ a_i b^i$
2667 @end tex
2668 @ifnottex
2669 a.i b~i
2670 @end ifnottex
2671 will be expanded to
2672 @tex
2673 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2674 @end tex
2675 @ifnottex
2676 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2677 @end ifnottex
2678
2679
2680 @cindex @code{simplify_indexed()}
2681 @subsection Simplifying indexed expressions
2682
2683 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2684 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2685 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2686 there is the method
2687
2688 @example
2689 ex ex::simplify_indexed();
2690 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2691 @end example
2692
2693 that performs some more expensive operations:
2694
2695 @itemize @bullet
2696 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2697   @code{get_free_indices()} does
2698 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2699   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2700 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2701   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2702   next section)
2703 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2704   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2705 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2706   of two tensors with a user-defined value
2707 @end itemize
2708
2709 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2710 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2711 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2712
2713 @example
2714 @{
2715     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2716     idx i(i_sym, 3);
2717
2718     scalar_products sp;
2719     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2720     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2721     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2722
2723     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2724     cout << e << endl;
2725      // -> (B+A).i*(A+C).i
2726
2727     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2728          << endl;
2729      // -> 4+C.i*B.i
2730 @}
2731 @end example
2732
2733 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2734 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2735 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2736 taken, and the expression to replace it with.
2737
2738 @cindex @code{expand()}
2739 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2740 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2741 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2742
2743 @cindex @code{tensor} (class)
2744 @subsection Predefined tensors
2745
2746 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2747 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2748 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2749 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2750 indices are specified).
2751
2752 @cindex @code{delta_tensor()}
2753 @subsubsection Delta tensor
2754
2755 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2756 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2757 @code{delta_tensor()}:
2758
2759 @example
2760 @{
2761     symbol A("A"), B("B");
2762
2763     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2764         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2765
2766     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2767          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2768     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2769      // -> B.i.j*A.i.j
2770
2771     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2772      // -> 3
2773 @}
2774 @end example
2775
2776 @cindex @code{metric_tensor()}
2777 @subsubsection General metric tensor
2778
2779 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2780 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2781 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2782 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2783
2784 @example
2785 @{
2786     symbol A("A");
2787
2788     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2789
2790     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2791     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2792      // -> A~mu~rho
2793
2794     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2795     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2796      // -> g~mu~rho
2797
2798     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2799       * metric_tensor(nu, rho);
2800     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2801      // -> delta.mu~rho
2802
2803     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2804       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2805         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2806     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2807      // -> 4+A.rho~rho
2808 @}
2809 @end example
2810
2811 @cindex @code{lorentz_g()}
2812 @subsubsection Minkowski metric tensor
2813
2814 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2815 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2816 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2817 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2818 @samp{eta}):
2819
2820 @example
2821 @{
2822     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2823
2824     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2825       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2826     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2827      // -> 1
2828
2829     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2830       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2831     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2832      // -> -1
2833 @}
2834 @end example
2835
2836 @cindex @code{spinor_metric()}
2837 @subsubsection Spinor metric tensor
2838
2839 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2840 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2841 It is output as @samp{eps}:
2842
2843 @example
2844 @{
2845     symbol psi("psi");
2846
2847     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2848     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2849
2850     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2851     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2852      // -> psi~A
2853
2854     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2855     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2856      // -> -psi~B
2857
2858     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2859     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2860      // -> -psi.A
2861
2862     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2863     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2864      // -> psi.B
2865
2866     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2867     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2868      // -> 2
2869
2870     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2871     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2872      // -> -delta.A~C
2873 @}
2874 @end example
2875
2876 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2877
2878 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2879 @cindex @code{lorentz_eps()}
2880 @subsubsection Epsilon tensor
2881
2882 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2883 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2884 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2885 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2886 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2887 @samp{eps}.
2888
2889 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2890 dimensions:
2891
2892 @example
2893 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2894 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2895 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2896                bool pos_sig = false);
2897 @end example
2898
2899 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2900 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2901 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2902 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2903 tensor):
2904
2905 @example
2906 @{
2907     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2908            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2909     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2910         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2911     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2912      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2913
2914     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2915     symbol A("A"), B("B");
2916     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2917     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2918      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2919     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2920     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2921      // -> 0
2922 @}
2923 @end example
2924
2925 @subsection Linear algebra
2926
2927 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2928 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2929 and scalar products):
2930
2931 @example
2932 @{
2933     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2934     symbol x("x"), y("y");
2935
2936     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2937     matrix A(2, 2), X(2, 1);
2938     A = 1, 2,
2939         3, 4;
2940     X = x, y;
2941
2942     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2943      // -> 5
2944
2945     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2946     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2947      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2948
2949     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2950     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2951      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2952 @}
2953 @end example
2954
2955 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2956 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2957 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2958
2959 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2960 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2961 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
2962 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
2963
2964 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
2965 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
2966 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
2967 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
2968 of the metric tensor.
2969
2970
2971 @node Non-commutative objects, Hash maps, Indexed objects, Basic concepts
2972 @c    node-name, next, previous, up
2973 @section Non-commutative objects
2974
2975 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
2976 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
2977 physics:
2978
2979 @itemize
2980 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
2981 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
2982 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
2983 @end itemize
2984
2985 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
2986 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
2987 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
2988 @ref{Matrices}.
2989
2990 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
2991 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
2992 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
2993 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
2994 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
2995 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
2996 by their class. Consider this example:
2997
2998 @example
2999     ...
3000     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3001     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3002     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3003     cout << e << endl;
3004      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3005     ...
3006 @end example
3007
3008 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3009 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3010 together while preserving the order of factors within each class (because
3011 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3012 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3013 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3014 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3015
3016 @cindex @code{ncmul} (class)
3017 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3018 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3019 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3020 though.
3021
3022 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3023 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3024 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3025 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3026 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3027 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3028 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3029 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3030
3031 @cindex @code{return_type()}
3032 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3033 Information about the commutativity of an object or expression can be
3034 obtained with the two member functions
3035
3036 @example
3037 unsigned ex::return_type() const;
3038 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3039 @end example
3040
3041 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3042 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3043 expressions in GiNaC:
3044
3045 @itemize @bullet
3046 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3047   classes are of this kind.
3048 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3049   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3050   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3051   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3052   class.
3053 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3054   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3055   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3056   @code{noncommutative_composite} expressions.
3057 @end itemize
3058
3059 The value returned by the @code{return_type_tinfo()} method is valid only
3060 when the return type of the expression is @code{noncommutative}. It is a
3061 value that is unique to the class of the object, but may vary every time a
3062 GiNaC program is being run (it is dynamically assigned on start-up).
3063
3064 Here are a couple of examples:
3065
3066 @cartouche
3067 @multitable @columnfractions 0.33 0.33 0.34
3068 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}} @tab @strong{@code{return_type_tinfo()}}
3069 @item @code{42} @tab @code{commutative} @tab -
3070 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative} @tab -
3071 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3072 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_clifford}
3073 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative} @tab @code{TINFO_color}
3074 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite} @tab -
3075 @end multitable
3076 @end cartouche
3077
3078 Note: the @code{return_type_tinfo()} of Clifford objects is only equal to
3079 @code{TINFO_clifford} for objects with a representation label of zero.
3080 Other representation labels yield a different @code{return_type_tinfo()},
3081 but it's the same for any two objects with the same label. This is also true
3082 for color objects.
3083
3084 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3085 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3086 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3087 non-commutative expressions).
3088
3089
3090 @cindex @code{clifford} (class)
3091 @subsection Clifford algebra
3092
3093
3094 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3095 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3096 mathematical). 
3097
3098 @cindex @code{dirac_gamma()}
3099 @subsubsection Dirac gamma matrices
3100 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3101 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3102 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3103 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3104 constructed by the function
3105
3106 @example
3107 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3108 @end example
3109
3110 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3111 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3112 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3113 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3114 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3115 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3116
3117 @cindex @code{dirac_ONE()}
3118 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3119
3120 @example
3121 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3122 @end example
3123
3124 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3125 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3126 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3127 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3128 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3129
3130 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3131 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3132 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3133 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3134
3135 @example
3136 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3137 @end example
3138
3139 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3140 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3141 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3142 objects, constructed by
3143
3144 @example
3145 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3146 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3147 @end example
3148
3149 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3150 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3151
3152 @cindex @code{dirac_slash()}
3153 Finally, the function
3154
3155 @example
3156 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3157 @end example
3158
3159 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3160 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3161 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3162 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3163
3164 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3165 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3166 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3167
3168 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3169 for example
3170
3171 @example
3172 @{
3173     ...
3174     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3175     varidx mu(symbol("mu"), D);
3176     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3177          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3178     cout << e << endl;
3179      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3180     e = e.simplify_indexed();
3181     cout << e << endl;
3182      // -> -D*a\+2*a\
3183     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3184      // -> -2*a\
3185     ...
3186 @}
3187 @end example
3188
3189 @cindex @code{dirac_trace()}
3190 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3191 you use one of the functions
3192
3193 @example
3194 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3195                const ex & trONE = 4);
3196 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3197 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3198 @end example
3199
3200 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3201 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3202 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3203 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3204 element, which defaults to 4.
3205
3206 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3207 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3208 functional is not cyclic in
3209 @tex $D \ne 4$
3210 @end tex
3211 @ifnottex
3212 @math{D != 4}
3213 @end ifnottex
3214 dimensions when acting on
3215 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3216 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3217 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3218
3219 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3220 @tex $D \ne 4$
3221 @end tex
3222 @ifnottex
3223 @math{D != 4}
3224 @end ifnottex
3225 dimensions:
3226
3227 @example
3228 @{
3229     // 4 dimensions
3230     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3231     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3232            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3233     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3234      // -> -8*eta~rho~nu
3235 @}
3236 ...
3237 @{
3238     // D dimensions
3239     symbol D("D");
3240     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3241     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3242            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3243     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3244      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3245 @}
3246 @end example
3247
3248 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3249 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3250 QED:
3251
3252 @example
3253 @{
3254     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3255     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3256
3257     scalar_products sp;
3258     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3259     sp.add(l, q, ldotq);
3260
3261     ex e = dirac_gamma(mu) *
3262            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3263            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3264            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3265     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3266     e = e.collect(lst(l, ldotq, m));
3267     cout << e << endl;
3268      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3269 @}
3270 @end example
3271
3272 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3273 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3274 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3275
3276 @example
3277 @{
3278     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3279     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3280     cout << e << endl;
3281      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3282
3283     e = canonicalize_clifford(e);
3284     cout << e << endl;
3285      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3286 @}
3287 @end example
3288
3289 @cindex @code{clifford_unit()}
3290 @subsubsection A generic Clifford algebra
3291
3292 A generic Clifford algebra, i.e. a
3293 @tex $2^n$
3294 @end tex
3295 @ifnottex
3296 2^n
3297 @end ifnottex
3298 dimensional algebra with
3299 generators 
3300 @tex $e_k$
3301 @end tex 
3302 @ifnottex
3303 e_k
3304 @end ifnottex
3305 satisfying the identities 
3306 @tex
3307 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3308 @end tex
3309 @ifnottex
3310 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3311 @end ifnottex
3312 for some bilinear form (@code{metric})
3313 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3314 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3315 function 
3316
3317 @example
3318     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3319 @end example
3320
3321 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3322 indexing the generators.
3323 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3324 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3325 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3326 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3327 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3328 @code{op(0)} will be used.
3329 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3330 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3331
3332 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3333 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3334 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3335 @cindex @code{clifford::get_metric()}
3336 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3337 Clifford number.
3338
3339 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3340 the Clifford algebra units with a call like that
3341
3342 @example
3343     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3344 @end example
3345
3346 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3347 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3348 automatically. 
3349
3350 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3351 ways. For example 
3352
3353 @example
3354 @{
3355     ... 
3356     idx i(symbol("i"), 4);
3357     realsymbol s("s");
3358     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3359     ex e = clifford_unit(i, M);
3360     ex e0 = e.subs(i == 0);
3361     ex e1 = e.subs(i == 1);
3362     ex e2 = e.subs(i == 2);
3363     ex e3 = e.subs(i == 3);
3364     ...
3365 @}
3366 @end example
3367
3368 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3369 @tex
3370 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3371 @end tex
3372 @ifnottex
3373 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3374 @code{pow(e3, 2) = s}.
3375 @end ifnottex
3376
3377 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3378 A similar effect can be achieved from the function
3379
3380 @example
3381     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3382                        unsigned char rl = 0);
3383     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3384 @end example
3385
3386 which converts a list or vector 
3387 @tex
3388 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3389 @end tex
3390 @ifnottex
3391 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3392 @end ifnottex
3393 into the
3394 Clifford number 
3395 @tex
3396 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3397 @end tex
3398 @ifnottex
3399 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3400 @end ifnottex
3401 with @samp{e.k}
3402 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3403 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3404 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. The previous code may be rewritten
3405 with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3406
3407 @example
3408 @{
3409     ...
3410     idx i(symbol("i"), 4);
3411     realsymbol s("s");
3412     ex M = diag_matrix(lst(1, -1, 0, s));
3413     ex e0 = lst_to_clifford(lst(1, 0, 0, 0), i, M);
3414     ex e1 = lst_to_clifford(lst(0, 1, 0, 0), i, M);
3415     ex e2 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 1, 0), i, M);
3416     ex e3 = lst_to_clifford(lst(0, 0, 0, 1), i, M);
3417   ...
3418 @}
3419 @end example
3420
3421 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3422 There is the inverse function 
3423
3424 @example
3425     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3426 @end example
3427
3428 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3429 @tex
3430 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3431 @end tex
3432 @ifnottex
3433 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3434 @end ifnottex
3435 such that 
3436 @tex
3437 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3438 @end tex
3439 @ifnottex
3440 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3441 @end ifnottex
3442 with respect to the given Clifford units @code{c} and with none of the
3443 @samp{v~k} containing Clifford units @code{c} (of course, this
3444 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3445 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the @samp{v~k} are calculated as
3446 @tex
3447 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3448 @end tex
3449 @ifnottex
3450 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3451 @end ifnottex
3452 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3453 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3454 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3455
3456 @cindex @code{clifford_prime()}
3457 @cindex @code{clifford_star()}
3458 @cindex @code{clifford_bar()}
3459 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3460
3461 @example
3462     ex clifford_prime(const ex & e)
3463     inline ex clifford_star(const ex & e) @{ return e.conjugate(); @}
3464     inline ex clifford_bar(const ex & e) @{ return clifford_prime(e.conjugate()); @}
3465 @end example
3466
3467 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3468 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3469 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} coincides with the
3470 @code{conjugate()} method and effectively reverses the order of Clifford
3471 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3472 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3473 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3474 in a product. These functions correspond to the notations
3475 @math{e'},
3476 @tex
3477 $e^*$
3478 @end tex
3479 @ifnottex
3480 e*
3481 @end ifnottex
3482 and
3483 @tex
3484 $\overline{e}$
3485 @end tex
3486 @ifnottex
3487 @code{\bar@{e@}}
3488 @end ifnottex
3489 used in Clifford algebra textbooks.
3490
3491 @cindex @code{clifford_norm()}
3492 The function
3493
3494 @example
3495     ex clifford_norm(const ex & e);
3496 @end example
3497
3498 @cindex @code{clifford_inverse()}
3499 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3500 @tex
3501 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3502 @end tex
3503 @ifnottex
3504 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3505 @end ifnottex
3506  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3507
3508 @example
3509     ex clifford_inverse(const ex & e);
3510 @end example
3511
3512 which calculates it as 
3513 @tex
3514 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3515 @end tex
3516 @ifnottex
3517 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3518 @end ifnottex
3519  If
3520 @tex
3521 $||e|| = 0$
3522 @end tex
3523 @ifnottex
3524 @math{||e||=0}
3525 @end ifnottex
3526 then an exception is raised.
3527
3528 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3529 If a Clifford number happens to be a factor of
3530 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3531 expression by the function
3532
3533 @example
3534     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3535 @end example
3536
3537 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3538 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3539 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3540
3541 The next provided function is
3542
3543 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3544 @example
3545     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3546                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3547                             unsigned char rl = 0);
3548     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3549                             unsigned char rl = 0);
3550 @end example 
3551
3552 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3553 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3554 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3555 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3556 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3557 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3558 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3559 is either a vector or a list holding vector's components.
3560
3561 @cindex @code{clifford_max_label()}
3562 Finally the function
3563
3564 @example
3565 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3566 @end example
3567
3568 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3569 such objects are found it returns the maximal
3570 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3571 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3572 be ignored during the search.
3573  
3574 LaTeX output for Clifford units looks like
3575 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3576 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3577 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3578 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3579 @example
3580     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3581 @end example
3582 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3583 @example
3584     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3585 @end example
3586 prints units with @code{representation_label=0} as 
3587 @tex
3588 $e$,
3589 @end tex
3590 @ifnottex
3591 @code{e},
3592 @end ifnottex
3593 with @code{representation_label=1} as 
3594 @tex
3595 $\tilde{e}$
3596 @end tex
3597 @ifnottex
3598 @code{\tilde@{e@}}
3599 @end ifnottex
3600  and with @code{representation_label=2} as 
3601 @tex
3602 $\breve{e}$.
3603 @end tex
3604 @ifnottex
3605 @code{\breve@{e@}}.
3606 @end ifnottex
3607
3608 @cindex @code{color} (class)
3609 @subsection Color algebra
3610
3611 @cindex @code{color_T()}
3612 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3613 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3614 elements @math{T_a} are constructed by the function
3615
3616 @example
3617 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3618 @end example
3619
3620 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3621 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3622 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3623 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3624 not @code{varidx}.
3625
3626 @cindex @code{color_ONE()}
3627 The unity element of a color algebra is constructed by
3628
3629 @example
3630 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3631 @end example
3632
3633 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3634 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3635 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3636 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3637 GiNaC may produce incorrect results.
3638
3639 @cindex @code{color_d()}
3640 @cindex @code{color_f()}
3641 The functions
3642
3643 @example
3644 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3645 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3646 @end example
3647
3648 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3649 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3650 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3651
3652 These functions evaluate to their numerical values,
3653 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3654 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3655 goes along better with the notations used in physical literature.
3656
3657 @cindex @code{color_h()}
3658 There's an additional function
3659
3660 @example
3661 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3662 @end example
3663
3664 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3665
3666 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3667 expressions containing color objects:
3668
3669 @example
3670 @{
3671     ...
3672     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3673         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3674
3675     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3676     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3677      // -> 0
3678
3679     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3680     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3681      // -> 5/3*delta.k.l
3682
3683     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3684     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3685      // -> 3*delta.k.l
3686
3687     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3688     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3689      // -> -32/3
3690
3691     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3692     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3693      // -> -2/3*T.a
3694
3695     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3696     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3697      // -> -8/9*ONE
3698
3699     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3700     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3701      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3702     ...
3703 @end example
3704
3705 @cindex @code{color_trace()}
3706 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3707 of the functions
3708
3709 @example
3710 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3711 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3712 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3713 @end example
3714
3715 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3716 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3717 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3718 example:
3719
3720 @example
3721     ...
3722     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3723     cout << e << endl;
3724      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3725 @}
3726 @end example
3727
3728
3729 @node Hash maps, Methods and functions, Non-commutative objects, Basic concepts
3730 @c    node-name, next, previous, up
3731 @section Hash Maps
3732 @cindex hash maps
3733 @cindex @code{exhashmap} (class)
3734
3735 For your convenience, GiNaC offers the container template @code{exhashmap<T>}
3736 that can be used as a drop-in replacement for the STL
3737 @code{std::map<ex, T, ex_is_less>}, using hash tables to provide faster,
3738 typically constant-time, element look-up than @code{map<>}.
3739
3740 @code{exhashmap<>} supports all @code{map<>} members and operations, with the
3741 following differences:
3742
3743 @itemize @bullet
3744 @item
3745 no @code{lower_bound()} and @code{upper_bound()} methods
3746 @item
3747 no reverse iterators, no @code{rbegin()}/@code{rend()}
3748 @item 
3749 no @code{operator<(exhashmap, exhashmap)}
3750 @item
3751 the comparison function object @code{key_compare} is hardcoded to
3752 @code{ex_is_less}
3753 @item
3754 the constructor @code{exhashmap(size_t n)} allows specifying the minimum
3755 initial hash table size (the actual table size after construction may be
3756 larger than the specified value)
3757 @item
3758 the method @code{size_t bucket_count()} returns the current size of the hash
3759 table
3760 @item 
3761 @code{insert()} and @code{erase()} operations invalidate all iterators
3762 @end itemize
3763
3764
3765 @node Methods and functions, Information about expressions, Hash maps, Top
3766 @c    node-name, next, previous, up
3767 @chapter Methods and functions
3768 @cindex polynomial
3769
3770 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3771 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3772 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3773 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3774 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3775 example:
3776
3777 @example
3778     ...
3779     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3780     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3781     ...
3782 @end example
3783
3784 @cindex @code{subs()}
3785 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3786 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3787 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3788 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3789 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3790 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3791 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3792 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3793 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3794 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3795 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3796 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3797 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3798 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3799 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3800 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3801 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3802 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3803 avoided.
3804
3805 @menu
3806 * Information about expressions::
3807 * Numerical evaluation::
3808 * Substituting expressions::
3809 * Pattern matching and advanced substitutions::
3810 * Applying a function on subexpressions::
3811 * Visitors and tree traversal::
3812 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3813 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3814 * Symbolic differentiation::
3815 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3816 * Symmetrization::
3817 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3818 * Multiple polylogarithms::
3819 * Complex expressions::
3820 * Solving linear systems of equations::
3821 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3822 @end menu
3823
3824
3825 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3826 @c    node-name, next, previous, up
3827 @section Getting information about expressions
3828
3829 @subsection Checking expression types
3830 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3831 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3832 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3833 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3834 @cindex @code{info()}
3835 @cindex @code{return_type()}
3836 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3837
3838 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3839 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3840 GiNaC provides a couple of functions for this:
3841
3842 @example
3843 bool is_a<T>(const ex & e);
3844 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3845 bool ex::info(unsigned flag);
3846 unsigned ex::return_type() const;
3847 unsigned ex::return_type_tinfo() const;
3848 @end example
3849
3850 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3851 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3852 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3853 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3854
3855 @example
3856 @{
3857     @dots{}
3858     if (is_a<numeric>(e))
3859         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3860     @dots{}
3861 @}
3862 @end example
3863
3864 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3865 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3866 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3867 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3868
3869 @example
3870 @{
3871     symbol x("x");
3872     ex e1 = 42;
3873     ex e2 = 4*x - 3;
3874     is_a<numeric>(e1);  // true
3875     is_a<numeric>(e2);  // false
3876     is_a<add>(e1);      // false
3877     is_a<add>(e2);      // true
3878     is_a<mul>(e1);      // false
3879     is_a<mul>(e2);      // false
3880 @}
3881 @end example
3882
3883 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3884 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3885 class @samp{T}, not including parent classes.
3886
3887 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3888 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3889 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3890 table:
3891
3892 @cartouche
3893 @multitable @columnfractions .30 .70
3894 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3895 @item @code{numeric}
3896 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3897 @item @code{real}
3898 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3899 @item @code{rational}
3900 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3901 @item @code{integer}
3902 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3903 @item @code{crational}
3904 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3905 @item @code{cinteger}
3906 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3907 @item @code{positive}
3908 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3909 @item @code{negative}
3910 @tab @dots{}not complex and less than 0
3911 @item @code{nonnegative}
3912 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3913 @item @code{posint}
3914 @tab @dots{}an integer greater than 0
3915 @item @code{negint}
3916 @tab @dots{}an integer less than 0
3917 @item @code{nonnegint}
3918 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3919 @item @code{even}
3920 @tab @dots{}an even integer
3921 @item @code{odd}
3922 @tab @dots{}an odd integer
3923 @item @code{prime}
3924 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3925 @item @code{relation}
3926 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3927 @item @code{relation_equal}
3928 @tab @dots{}a @code{==} relation
3929 @item @code{relation_not_equal}
3930 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3931 @item @code{relation_less}
3932 @tab @dots{}a @code{<} relation
3933 @item @code{relation_less_or_equal}
3934 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3935 @item @code{relation_greater}
3936 @tab @dots{}a @code{>} relation
3937 @item @code{relation_greater_or_equal}
3938 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3939 @item @code{symbol}
3940 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3941 @item @code{list}
3942 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3943 @item @code{polynomial}
3944 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3945 @item @code{integer_polynomial}
3946 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3947 @item @code{cinteger_polynomial}
3948 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3949 @item @code{rational_polynomial}
3950 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3951 @item @code{crational_polynomial}
3952 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3953 @item @code{rational_function}
3954 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3955 @item @code{algebraic}
3956 @tab @dots{}an algebraic object (@math{sqrt(2)}, @math{sqrt(x)-1})
3957 @end multitable
3958 @end cartouche
3959
3960 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3961 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3962 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3963 for an explanation of these.
3964
3965
3966 @subsection Accessing subexpressions
3967 @cindex container
3968
3969 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
3970 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
3971 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
3972 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
3973
3974 @cindex @code{nops()}
3975 @cindex @code{op()}
3976 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
3977 use the two methods
3978
3979 @example
3980 size_t ex::nops();
3981 ex ex::op(size_t i);
3982 @end example
3983
3984 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
3985 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
3986 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
3987 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
3988 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
3989 @math{i>0} are the indices.
3990
3991 @cindex iterators
3992 @cindex @code{const_iterator}
3993 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
3994 iterator class @code{const_iterator} and the methods
3995
3996 @example
3997 const_iterator ex::begin();
3998 const_iterator ex::end();
3999 @end example
4000
4001 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4002 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4003 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4004 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4005
4006 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4007 given expression in three different ways:
4008
4009 @example
4010 @{
4011     ex e = ...
4012
4013     // with nops()/op()
4014     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4015         cout << e.op(i) << endl;
4016
4017     // with iterators
4018     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4019         cout << *i << endl;
4020
4021     // with iterators and STL copy()
4022     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4023 @}
4024 @end example
4025
4026 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4027 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4028 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4029 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4030 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4031 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4032 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4033 methods
4034
4035 @example
4036 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4037 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4038 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4039 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4040 @end example
4041
4042 The following example illustrates the differences between
4043 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4044 @code{const_postorder_iterator}:
4045
4046 @example
4047 @{
4048     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4049     ex e = lst(lst(A, B), C);
4050
4051     std::copy(e.begin(), e.end(),
4052               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4053     // @{A,B@}
4054     // C
4055
4056     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4057               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4058     // @{@{A,B@},C@}
4059     // @{A,B@}
4060     // A
4061     // B
4062     // C
4063
4064     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4065               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4066     // A
4067     // B
4068     // @{A,B@}
4069     // C
4070     // @{@{A,B@},C@}
4071 @}
4072 @end example
4073
4074 @cindex @code{relational} (class)
4075 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4076 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4077 methods
4078
4079 @example
4080 ex ex::lhs();
4081 ex ex::rhs();
4082 @end example
4083
4084
4085 @subsection Comparing expressions
4086 @cindex @code{is_equal()}
4087 @cindex @code{is_zero()}
4088
4089 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4090 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4091 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4092 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4093 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4094 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4095 @code{false}.
4096
4097 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4098 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4099 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4100
4101 There are also two methods
4102
4103 @example
4104 bool ex::is_equal(const ex & other);
4105 bool ex::is_zero();
4106 @end example
4107
4108 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4109 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4110 @pxref{Matrices}. 
4111
4112
4113 @subsection Ordering expressions
4114 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4115 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4116 @cindex @code{compare()}
4117
4118 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4119 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4120 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4121 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4122
4123 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4124 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4125 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4126 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4127 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4128 yield @code{true}.
4129
4130 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4131 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4132 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4133 predicates to the STL:
4134
4135 @example
4136 class ex_is_less : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4137 public:
4138     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4139 @};
4140
4141 class ex_is_equal : public std::binary_function<ex, ex, bool> @{
4142 public:
4143     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4144 @};
4145 @end example
4146
4147 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4148 have to use
4149
4150 @example
4151 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4152 @end example
4153
4154 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4155 bugs because the map operates improperly.
4156
4157 Other examples for the use of the functors:
4158
4159 @example
4160 std::vector<ex> v;
4161 // fill vector
4162 ...
4163
4164 // sort vector
4165 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4166
4167 // count the number of expressions equal to '1'
4168 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4169                                   std::bind2nd(ex_is_equal(), 1));
4170 @end example
4171
4172 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4173
4174 @example
4175 int ex::compare(const ex & other) const;
4176 @end example
4177
4178 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4179 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4180 after @code{other}.
4181
4182
4183 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4184 @c    node-name, next, previous, up
4185 @section Numerical evaluation
4186 @cindex @code{evalf()}
4187
4188 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4189 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4190
4191 @example
4192 ex ex::evalf(int level = 0) const;
4193 @end example
4194
4195 @cindex @code{Digits}
4196 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4197 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4198 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4199
4200 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4201 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4202
4203 @example
4204 @{
4205     // Approximate sin(x/Pi)
4206     symbol x("x");
4207     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4208
4209     // Evaluate numerically at x=0.1
4210     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4211
4212     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4213     if (is_a<numeric>(f)) @{
4214         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4215         cout << d << endl;
4216          // -> 0.0318256
4217     @} else
4218         // error
4219 @}
4220 @end example
4221
4222
4223 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4224 @c    node-name, next, previous, up
4225 @section Substituting expressions
4226 @cindex @code{subs()}
4227
4228 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4229 expressions via the @code{.subs()} method:
4230
4231 @example
4232 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4233 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4234 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4235 @end example
4236
4237 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4238 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4239
4240 @example
4241 @{
4242     symbol x("x"), y("y");
4243
4244     ex e1 = 2*x^2-4*x+3;
4245     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4246      // -> 73
4247
4248     ex e2 = x*y + x;
4249     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x == -2, y == 4)) << endl;
4250      // -> -10
4251 @}
4252 @end example
4253
4254 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4255 @code{subs(lst(x == y, y == x))} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4256
4257 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4258 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4259 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4260 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4261 be substituted is large or unknown.
4262
4263 Using this form, the second example from above would look like this:
4264
4265 @example
4266 @{
4267     symbol x("x"), y("y");
4268     ex e2 = x*y + x;
4269
4270     exmap m;
4271     m[x] = -2;
4272     m[y] = 4;
4273     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4274 @}
4275 @end example
4276
4277 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4278 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4279 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4280
4281 @example
4282 @{
4283     symbol x("x"), y("y");
4284     ex e2 = x*y + x;
4285
4286     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst(x, y), lst(-2, 4)) << endl;
4287 @}
4288 @end example
4289
4290 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4291 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4292 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4293 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4294 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4295 algebraic substitutions in products and powers.
4296 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4297 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4298 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4299 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4300 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4301 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4302
4303 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4304 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4305 following example:
4306
4307 @example
4308 @{
4309     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4310
4311     ex e1 = pow(x+y, 2);
4312     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4313      // -> 16
4314
4315     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4316     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4317      // -> cos(x)^2*sin(y)
4318
4319     ex e3 = x+y+z;
4320     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4321      // -> x+y+z
4322      // (and not 4+z as one might expect)
4323 @}
4324 @end example
4325
4326 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4327 next section.
4328
4329
4330 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4331 @c    node-name, next, previous, up
4332 @section Pattern matching and advanced substitutions
4333 @cindex @code{wildcard} (class)
4334 @cindex Pattern matching
4335
4336 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4337 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4338 substituting expressions in a more general way.
4339
4340 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4341 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4342 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4343 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4344 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4345 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4346 with the call
4347
4348 @example
4349 ex wild(unsigned label = 0);
4350 @end example
4351
4352 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4353 name.
4354
4355 Some examples for patterns:
4356
4357 @multitable @columnfractions .5 .5
4358 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4359 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4360 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4361 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4362 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4363 @end multitable
4364
4365 Notes:
4366
4367 @itemize @bullet
4368 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4369   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4370 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4371   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4372   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4373 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4374   possible to use them as placeholders for other properties like index
4375   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4376   etc.
4377 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4378   as part of noncommutative products.
4379 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4380   are also valid patterns.
4381 @end itemize
4382
4383 @subsection Matching expressions
4384 @cindex @code{match()}
4385 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4386 matches a given pattern. This is done by the function
4387
4388 @example
4389 bool ex::match(const ex & pattern);
4390 bool ex::match(const ex & pattern, lst & repls);
4391 @end example
4392
4393 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4394 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4395 subexpressions matched by the wildcards get returned in the @code{repls}
4396 object as a list of relations of the form @samp{wildcard == expression}.
4397 If @code{match()} returns false, the state of @code{repls} is undefined.
4398 For reproducible results, the list should be empty when passed to
4399 @code{match()}, but it is also possible to find similarities in multiple
4400 expressions by passing in the result of a previous match.
4401
4402 The matching algorithm works as follows:
4403
4404 @itemize
4405 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4406   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4407   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4408   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4409 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4410   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4411   etc.).
4412 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4413   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4414 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4415   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4416   of the pattern.
4417 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4418   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4419 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4420   match the corresponding subexpression of the pattern.
4421 @end itemize
4422
4423 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4424 account for their commutativity and associativity:
4425
4426 @itemize
4427 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4428   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4429   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4430   way.
4431 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4432   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4433   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4434   further matches.
4435 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4436   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4437   which case this wildcard matches the remaining terms.
4438 @end itemize
4439
4440 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4441 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4442 ambiguous results.
4443
4444 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4445 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4446 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4447
4448 @example
4449 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4450 @{@}
4451 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4452 FAIL
4453 > match((x+y)^a,$1^$2);
4454 @{$1==x+y,$2==a@}
4455 > match((x+y)^a,$1^$1);
4456 FAIL
4457 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4458 @{$1==x+y@}
4459 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4460 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4461 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4462 @{$1==a@}
4463 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4464 @{$1==b,$2==c@}
4465   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4466 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4467   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4468    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4469    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4470    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4471    fail.)
4472 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4473   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4474    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4475 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4476 FAIL
4477 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4478 @{$0==a+e+b+f+d@}
4479 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4480 @{$0==a+b+f+d@}
4481 > match(a+b,a+b+$0);
4482 @{$0==0@}
4483 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4484 FAIL
4485   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4486    even though a==a^1.)
4487 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4488 @{$0==x@}
4489 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4490 @{$0==x^2@}
4491 @end example
4492
4493 @subsection Matching parts of expressions
4494 @cindex @code{has()}
4495 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4496 member function
4497
4498 @example
4499 bool ex::has(const ex & pattern);
4500 @end example
4501
4502 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4503 by any of its subexpressions.
4504
4505 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4506 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4507
4508 @example
4509 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4510 1
4511 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4512 0
4513   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4514    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4515 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4516 1
4517   (But this is possible.)
4518 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4519 0
4520   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4521    which "x+y" is not a subexpression.)
4522 > has(x+1,x^$1);
4523 0
4524   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4525    "x^something".)
4526 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4527 1
4528 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4529 0
4530   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4531    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4532    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4533 @end example
4534
4535 @cindex @code{find()}
4536 The method
4537
4538 @example
4539 bool ex::find(const ex & pattern, lst & found);
4540 @end example
4541
4542 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4543 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4544 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4545 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4546 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4547
4548 @example
4549 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4550 @{x@}
4551 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4552 @{@}
4553 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4554 @{x^3,x^2@}
4555   (Note the absence of "x".)
4556 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4557 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4558 > find(%,sin($1));
4559 @{sin(y),sin(x)@}
4560 @end example
4561
4562 @subsection Substituting expressions
4563 @cindex @code{subs()}
4564 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4565 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4566 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4567 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4568 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4569
4570 Some examples:
4571
4572 @example
4573 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4574 b^3+a^3+(x+y)^3
4575 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4576 b^4+a^4+(x+y)^4
4577 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4578 (a+b+c)^2
4579 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4580 (x+c)^2
4581 > subs(a+2*b,a+b==x);
4582 a+2*b
4583 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4584 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4585 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4586 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4587 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4588 cos(1+cos(x))
4589 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4590 a+b
4591 @end example
4592
4593 The last example would be written in C++ in this way:
4594
4595 @example
4596 @{
4597     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4598     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4599     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4600     cout << e.expand() << endl;
4601      // -> a+b
4602 @}
4603 @end example
4604
4605 @subsection The option algebraic
4606 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4607 extra options. This section describes what happens if you give the former
4608 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4609 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4610 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4611 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4612 If you use these options you will find that
4613 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4614 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4615 often as is possible without getting negative exponents. For example
4616 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4617 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4618 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4619 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4620
4621 @strong{Note:} this only works for multiplications
4622 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4623
4624
4625 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4626 @c    node-name, next, previous, up
4627 @section Applying a function on subexpressions
4628 @cindex tree traversal
4629 @cindex @code{map()}
4630
4631 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4632 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4633 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4634 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4635 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4636 to do this manually which usually results in code like this:
4637
4638 @example
4639 ex calc_trace(ex e)
4640 @{
4641     if (is_a<matrix>(e))
4642         return ex_to<matrix>(e).trace();
4643     else if (is_a<add>(e)) @{
4644         ex sum = 0;
4645         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4646             sum += calc_trace(e.op(i));
4647         return sum;
4648     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4649         ...
4650     @} else @{
4651         ...
4652     @}
4653 @}
4654 @end example
4655
4656 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4657 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4658 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4659 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4660 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4661
4662 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4663 operations:
4664
4665 @example
4666 ex ex::map(map_function & f) const;
4667 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4668 @end example
4669
4670 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4671 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4672 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4673 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4674 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4675 non-recursively.
4676
4677 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4678 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4679 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4680 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4681 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4682
4683 @example
4684 struct calc_trace : public map_function @{
4685     ex operator()(const ex &e)
4686     @{
4687         if (is_a<matrix>(e))
4688             return ex_to<matrix>(e).trace();
4689         else if (is_a<mul>(e)) @{
4690             ...
4691         @} else
4692             return e.map(*this);
4693     @}
4694 @};
4695 @end example
4696
4697 This function object could then be used like this:
4698
4699 @example
4700 @{
4701     ex M = ... // expression with matrices
4702     calc_trace do_trace;
4703     ex tr = do_trace(M);
4704 @}
4705 @end example
4706
4707 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4708 terms in a variable from an expanded polynomial:
4709
4710 @example
4711 struct map_rem_quad : public map_function @{
4712     ex var;
4713     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4714
4715     ex operator()(const ex & e)
4716     @{
4717         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4718             return e.map(*this);
4719         else if (is_a<power>(e) && 
4720                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4721             return 0;
4722         else
4723             return e;
4724     @}
4725 @};
4726
4727 ...
4728
4729 @{
4730     symbol x("x"), y("y");
4731
4732     ex e;
4733     for (int i=0; i<8; i++)
4734         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4735     cout << e << endl;
4736      // -> 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
4737
4738     map_rem_quad rem_quad(x);
4739     cout << rem_quad(e) << endl;
4740      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4741 @}
4742 @end example
4743
4744 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4745 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4746 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4747 acts as the placeholder for the operands:
4748
4749 @example
4750 > map(a*b,sin($0));
4751 sin(a)*sin(b)
4752 > map(a+2*b,sin($0));
4753 sin(a)+sin(2*b)
4754 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4755 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4756 @end example
4757
4758 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4759 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4760 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4761
4762 @example
4763 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4764 @{0,0,0@}
4765   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4766   to "map(@{a,b,c@},0)".
4767 @end example
4768
4769
4770 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4771 @c    node-name, next, previous, up
4772 @section Visitors and tree traversal
4773 @cindex tree traversal
4774 @cindex @code{visitor} (class)
4775 @cindex @code{accept()}
4776 @cindex @code{visit()}
4777 @cindex @code{traverse()}
4778 @cindex @code{traverse_preorder()}
4779 @cindex @code{traverse_postorder()}
4780
4781 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4782 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4783 indices with variance you always want the covariant version returned.
4784
4785 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4786 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4787 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4788 with variance, one for plain ones).
4789
4790 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4791 such as the following:
4792
4793 @example
4794 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4795 @{
4796     if (is_a<varidx>(e)) @{
4797         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4798         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4799     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4800         l.append(e);
4801     @} else @{
4802         size_t n = e.nops();
4803         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4804             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4805     @}
4806 @}
4807
4808 lst gather_indices(const ex & e)
4809 @{
4810     lst l;
4811     gather_indices_helper(e, l);
4812     l.sort();
4813     l.unique();
4814     return l;
4815 @}
4816 @end example
4817
4818 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4819 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4820 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4821
4822 @example
4823     if (is_a<idx>(e)) @{
4824       ...
4825     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4826       ...
4827 @end example
4828
4829 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4830 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4831 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4832 executed.
4833
4834 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4835 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4836 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4837 write a function that required a different implementation for nearly
4838 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4839
4840 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4841 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4842 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4843 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4844 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4845 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4846 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4847 presented this would be impractical.
4848
4849 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4850 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4851 variation, described in detail in
4852 @uref{http://objectmentor.com/publications/acv.pdf}). Instead of adding
4853 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4854 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4855 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4856 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4857 object that @code{accept()} was being invoked on.
4858
4859 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4860 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4861 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4862 each class.
4863
4864 A call of
4865
4866 @example
4867 void ex::accept(visitor & v) const;
4868 @end example
4869
4870 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4871 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4872 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4873
4874 Here is an example of a visitor:
4875
4876 @example
4877 class my_visitor
4878  : public visitor,          // this is required
4879    public add::visitor,     // visit add objects
4880    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4881    public basic::visitor    // visit basic objects
4882 @{
4883     void visit(const add & x)
4884     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4885
4886     void visit(const numeric & x)
4887     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4888
4889     void visit(const basic & x)
4890     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4891 @};
4892 @end example
4893
4894 which can be used as follows:
4895
4896 @example
4897 ...
4898     symbol x("x");
4899     ex e1 = 42;
4900     ex e2 = 4*x-3;
4901     ex e3 = 8*x;
4902
4903     my_visitor v;
4904     e1.accept(v);
4905      // prints "called with a numeric object"
4906     e2.accept(v);
4907      // prints "called with an add object"
4908     e3.accept(v);
4909      // prints "called with a basic object"
4910 ...
4911 @end example
4912
4913 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4914 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4915
4916 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4917 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4918 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4919 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4920 hierarchies of visitors.
4921
4922 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4923
4924 @example
4925 class gather_indices_visitor
4926  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4927 @{
4928     lst l;
4929
4930     void visit(const idx & i)
4931     @{
4932         l.append(i);
4933     @}
4934
4935     void visit(const varidx & vi)
4936     @{
4937         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4938     @}
4939
4940 public:
4941     const lst & get_result() // utility function
4942     @{
4943         l.sort();
4944         l.unique();
4945         return l;
4946     @}
4947 @};
4948 @end example
4949
4950 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4951 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4952
4953 @example
4954 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4955 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4956 void ex::traverse(visitor & v) const;
4957 @end example
4958
4959 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4960 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4961 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4962 @code{traverse_preorder()}.
4963
4964 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4965 and @code{traverse()}:
4966
4967 @example
4968 lst gather_indices(const ex & e)
4969 @{
4970     gather_indices_visitor v;
4971     e.traverse(v);
4972     return v.get_result();
4973 @}
4974 @end example
4975
4976 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
4977 traversal:
4978
4979 @example
4980 lst gather_indices(const ex & e)
4981 @{
4982     gather_indices_visitor v;
4983     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
4984          i != e.preorder_end(); ++i) @{
4985         i->accept(v);
4986     @}
4987     return v.get_result();
4988 @}
4989 @end example
4990
4991
4992 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
4993 @c    node-name, next, previous, up
4994 @section Polynomial arithmetic
4995
4996 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
4997 @cindex @code{is_polynomial()}
4998
4999 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5000 can be done with the method
5001 @example
5002 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5003 @end example
5004 In the case of more than
5005 one variable, the variables are given as a list.
5006
5007 @example
5008 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5009 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst(x,y))  // Returns false.
5010 @end example
5011
5012 @subsection Expanding and collecting
5013 @cindex @code{expand()}
5014 @cindex @code{collect()}
5015 @cindex @code{collect_common_factors()}
5016
5017 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5018 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5019 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5020 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5021 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5022 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5023 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5024 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5025 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5026 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5027 x*z}.
5028
5029 To bring an expression into expanded form, its method
5030
5031 @example
5032 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5033 @end example
5034
5035 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5036 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5037 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5038 orderings of terms in such sums!
5039
5040 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5041 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5042 being polynomials in the remaining variables.  The method
5043 @code{collect()} accomplishes this task:
5044
5045 @example
5046 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5047 @end example
5048
5049 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5050 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5051 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5052 by the @code{distributed} flag.
5053
5054 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5055 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5056 coefficients properly.
5057
5058 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5059 together with @code{find()}:
5060
5061 @example
5062 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5063 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)
5064 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5065 > collect(a,@{p,q@});
5066 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5067 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5068 > collect(a,find(a,sin($1)));
5069 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5070 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5071 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5072 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5073 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5074 @end example
5075
5076 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5077 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5078
5079 @example
5080 ex collect_common_factors(const ex & e);
5081 @end example
5082
5083 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5084 factors which are already explicitly present:
5085
5086 @example
5087 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5088 (x+y)*a
5089 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5090 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5091 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5092 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5093 @end example
5094
5095 @subsection Degree and coefficients
5096 @cindex @code{degree()}
5097 @cindex @code{ldegree()}
5098 @cindex @code{coeff()}
5099
5100 The degree and low degree of a polynomial can be obtained using the two
5101 methods
5102
5103 @example
5104 int ex::degree(const ex & s);
5105 int ex::ldegree(const ex & s);
5106 @end example
5107
5108 which also work reliably on non-expanded input polynomials (they even work
5109 on rational functions, returning the asymptotic degree). By definition, the
5110 degree of zero is zero. To extract a coefficient with a certain power from
5111 an expanded polynomial you use
5112
5113 @example
5114 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5115 @end example
5116
5117 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5118
5119 @example
5120 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5121 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5122 @end example
5123
5124 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5125 respectively.
5126
5127 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5128 polynomial is analyzed:
5129
5130 @example
5131 @{
5132     symbol x("x"), y("y");
5133     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5134                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5135     ex Poly = PolyInp.expand();
5136     
5137     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5138         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5139              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5140     @}
5141     cout << "As polynomial in y: " 
5142          << Poly.collect(y) << endl;
5143 @}
5144 @end example
5145
5146 When run, it returns an output in the following fashion:
5147
5148 @example
5149 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5150 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5151 The x^2-coefficient is -1
5152 The x^3-coefficient is 4*y
5153 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5154 @end example
5155
5156 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5157 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5158 within the user's sphere of influence.
5159
5160 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5161 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5162 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5163 constants, functions and indexed objects as well:
5164
5165 @example
5166 @{
5167     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5168     idx i(symbol("i"), 3);
5169
5170     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5171     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5172      // -> 4
5173     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5174      // -> -4*cos(x)
5175
5176     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5177     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5178     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5179      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5180 @}
5181 @end example
5182
5183
5184 @subsection Polynomial division
5185 @cindex polynomial division
5186 @cindex quotient
5187 @cindex remainder
5188 @cindex pseudo-remainder
5189 @cindex @code{quo()}
5190 @cindex @code{rem()}
5191 @cindex @code{prem()}
5192 @cindex @code{divide()}
5193
5194 The two functions
5195
5196 @example
5197 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5198 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5199 @end example
5200
5201 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5202 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5203
5204 The additional function
5205
5206 @example
5207 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5208 @end example
5209
5210 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5211 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5212
5213 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5214
5215 @example
5216 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5217 @end example
5218
5219 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5220 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5221 in which case the value of @code{q} is undefined.
5222
5223
5224 @subsection Unit, content and primitive part
5225 @cindex @code{unit()}
5226 @cindex @code{content()}
5227 @cindex @code{primpart()}
5228 @cindex @code{unitcontprim()}
5229
5230 The methods
5231
5232 @example
5233 ex ex::unit(const ex & x);
5234 ex ex::content(const ex & x);
5235 ex ex::primpart(const ex & x);
5236 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5237 @end example
5238
5239 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5240 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5241 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5242 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5243 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5244 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5245 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5246 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5247
5248 Additionally, the method
5249
5250 @example
5251 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5252 @end example
5253
5254 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5255 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5256
5257
5258 @subsection GCD, LCM and resultant
5259 @cindex GCD
5260 @cindex LCM
5261 @cindex @code{gcd()}
5262 @cindex @code{lcm()}
5263
5264 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5265 multiple have the synopsis
5266
5267 @example
5268 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5269 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5270 @end example
5271
5272 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5273 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5274 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5275 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5276 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5277 the coefficients must be rationals.
5278
5279 @example
5280 #include <ginac/ginac.h>
5281 using namespace GiNaC;
5282
5283 int main()
5284 @{
5285     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5286     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5287     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5288
5289     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5290     // x + 5*y + 4*z
5291     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5292     // 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
5293 @}
5294 @end example
5295
5296 @cindex resultant
5297 @cindex @code{resultant()}
5298
5299 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5300 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5301 expressions. The function has the interface
5302
5303 @example
5304 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5305 @end example
5306
5307 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5308 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5309 @code{y}, respectively:
5310
5311 @example
5312 #include <ginac/ginac.h>
5313 using namespace GiNaC;
5314
5315 int main()
5316 @{
5317     symbol x("x"), y("y");
5318
5319     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5320     ex r;
5321     
5322     r = resultant(e1, e2, x); 
5323     // -> 1+2*y^6
5324     r = resultant(e1, e2, y); 
5325     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5326 @}
5327 @end example
5328
5329 @subsection Square-free decomposition
5330 @cindex square-free decomposition
5331 @cindex factorization
5332 @cindex @code{sqrfree()}
5333
5334 GiNaC still lacks proper factorization support.  Some form of
5335 factorization is, however, easily implemented by noting that factors
5336 appearing in a polynomial with power two or more also appear in the
5337 derivative and hence can easily be found by computing the GCD of the
5338 original polynomial and its derivatives.  Any decent system has an
5339 interface for this so called square-free factorization.  So we provide
5340 one, too:
5341 @example
5342 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst());
5343 @end example
5344 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5345 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5346 some care with subsequent processing of the result:
5347 @example
5348     ...
5349     symbol x("x"), y("y");
5350     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5351
5352     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(x,y)) << endl;
5353      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5354
5355     cout << sqrfree(BiVarPol, lst(y,x)) << endl;
5356      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5357
5358     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5359      // -> depending on luck, any of the above
5360     ...
5361 @end example
5362 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5363 with this method.
5364
5365
5366 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5367 @c    node-name, next, previous, up
5368 @section Rational expressions
5369
5370 @subsection The @code{normal} method
5371 @cindex @code{normal()}
5372 @cindex simplification
5373 @cindex temporary replacement
5374
5375 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5376 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5377 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5378 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5379 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5380 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5381
5382 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5383 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5384 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5385 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5386 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5387 @code{.to_rational()}, described below.
5388
5389 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5390 simplified in this little code snippet:
5391
5392 @example
5393 @{
5394     symbol x("x");
5395     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5396     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5397     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5398     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5399 @}
5400 @end example
5401
5402 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5403 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5404 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5405
5406
5407 @subsection Numerator and denominator
5408 @cindex numerator
5409 @cindex denominator
5410 @cindex @code{numer()}
5411 @cindex @code{denom()}
5412 @cindex @code{numer_denom()}
5413
5414 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5415
5416 @example
5417 ex ex::numer();
5418 ex ex::denom();
5419 ex ex::numer_denom();
5420 @end example
5421
5422 These functions will first normalize the expression as described above and
5423 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5424 If you need both numerator and denominator, calling @code{numer_denom()} is
5425 faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately.
5426
5427
5428 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5429 @cindex @code{to_polynomial()}
5430 @cindex @code{to_rational()}
5431
5432 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5433 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5434 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5435 above. You do this by calling
5436
5437 @example
5438 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5439 ex ex::to_polynomial(lst & l);
5440 @end example
5441 or
5442 @example
5443 ex ex::to_rational(exmap & m);
5444 ex ex::to_rational(lst & l);
5445 @end example
5446
5447 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} or @code{lst}
5448 will be filled with the generated temporary symbols and their replacement
5449 expressions in a format that can be used directly for the @code{subs()}
5450 method. It can also already contain a list of replacements from an earlier
5451 application of @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's
5452 possible to use it on multiple expressions and get consistent results.
5453
5454 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5455 is probably best illustrated with an example:
5456
5457 @example
5458 @{
5459     symbol x("x"), y("y");
5460     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5461     cout << a << endl;
5462
5463     lst lp;
5464     ex p = a.to_polynomial(lp);
5465     cout << " = " << p << "\n   with " << lp << endl;
5466      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5467      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5468
5469     lst lr;
5470     ex r = a.to_rational(lr);
5471     cout << " = " << r << "\n   with " << lr << endl;
5472      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5473      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5474 @}
5475 @end example
5476
5477 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5478
5479 @example
5480 @{
5481     symbol x("x");
5482     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5483     ex b = sin(x) + cos(x);
5484     ex q;
5485     exmap m;
5486     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5487     cout << q.subs(m) << endl;
5488 @}
5489 @end example
5490
5491
5492 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5493 @c    node-name, next, previous, up
5494 @section Symbolic differentiation
5495 @cindex differentiation
5496 @cindex @code{diff()}
5497 @cindex chain rule
5498 @cindex product rule
5499
5500 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5501 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5502 the derivatives of all the monomials:
5503
5504 @example
5505 @{
5506     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5507     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5508
5509     cout << P.diff(x,2) << endl;
5510      // -> 20*x^3 + 2
5511     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5512      // -> 1
5513     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5514      // -> 0
5515 @}
5516 @end example
5517
5518 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5519 returns the @var{n}th derivative.
5520
5521 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5522 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5523 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5524 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5525 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5526 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5527 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5528 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5529 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5530 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5531 lines:
5532
5533 @cindex Euler numbers
5534 @example
5535 #include <ginac/ginac.h>
5536 using namespace GiNaC;
5537
5538 ex EulerNumber(unsigned n)
5539 @{
5540     symbol x;
5541     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5542     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5543 @}
5544
5545 int main()
5546 @{
5547     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5548         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5549     return 0;
5550 @}
5551 @end example
5552
5553 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5554 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5555 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5556
5557
5558 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5559 @c    node-name, next, previous, up
5560 @section Series expansion
5561 @cindex @code{series()}
5562 @cindex Taylor expansion
5563 @cindex Laurent expansion
5564 @cindex @code{pseries} (class)
5565 @cindex @code{Order()}
5566
5567 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5568 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5569 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5570 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5571 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5572 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5573 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5574 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5575 term).  A sample application from special relativity could read:
5576
5577 @example
5578 #include <ginac/ginac.h>
5579 using namespace std;
5580 using namespace GiNaC;
5581
5582 int main()
5583 @{
5584     symbol v("v"), c("c");
5585     
5586     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5587     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5588     
5589     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5590          << mass_nonrel << endl;
5591     
5592     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5593          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5594 @}
5595 @end example
5596
5597 Only calling the series method makes the last output simplify to
5598 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5599 series raised to the power @math{-2}.
5600
5601 @cindex Machin's formula
5602 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5603 value of Archimedes' constant
5604 @tex
5605 $\pi$
5606 @end tex
5607 @ifnottex
5608 @math{Pi}
5609 @end ifnottex
5610 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5611 using John Machin's amazing formula
5612 @tex
5613 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5614 @end tex
5615 @ifnottex
5616 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5617 @end ifnottex
5618 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5619 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5620 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5621 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5622 order term with it and the question arises what the system is supposed
5623 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5624 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5625 term off:
5626
5627 @example
5628 #include <ginac/ginac.h>
5629 using namespace GiNaC;
5630
5631 ex machin_pi(int degr)
5632 @{
5633     symbol x;
5634     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x,degr));
5635     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5636                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5637     return pi_approx;
5638 @}
5639
5640 int main()
5641 @{
5642     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5643     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5644     ex pi_frac;
5645     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5646         pi_frac = machin_pi(i);
5647         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5648              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5649     @}
5650     return 0;
5651 @}
5652 @end example
5653
5654 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5655 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5656 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5657 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5658 program, it will type out:
5659
5660 @example
5661 2:      3804/1195
5662         3.1832635983263598326
5663 4:      5359397032/1706489875
5664         3.1405970293260603143
5665 6:      38279241713339684/12184551018734375
5666         3.141621029325034425
5667 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5668         3.141591772182177295
5669 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5670         3.1415926824043995174
5671 @end example
5672
5673
5674 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5675 @c    node-name, next, previous, up
5676 @section Symmetrization
5677 @cindex @code{symmetrize()}
5678 @cindex @code{antisymmetrize()}
5679 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5680
5681 The three methods
5682
5683 @example
5684 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5685 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5686 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5687 @end example
5688
5689 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5690 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5691 weighted by the number of permutations.
5692
5693 The three additional methods
5694
5695 @example
5696 ex ex::symmetrize();
5697 ex ex::antisymmetrize();
5698 ex ex::symmetrize_cyclic();
5699 @end example
5700
5701 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5702
5703 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5704 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5705
5706 @example
5707 @{
5708     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5709     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5710                                            
5711     cout << indexed(A, i, j).symmetrize() << endl;
5712      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5713     cout << indexed(A, i, j, k).antisymmetrize(lst(i, j)) << endl;
5714      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5715     cout << lst(a, b, c).symmetrize_cyclic(lst(a, b, c)) << endl;
5716      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5717 @}
5718 @end example
5719
5720 @page
5721
5722 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5723 @c    node-name, next, previous, up
5724 @section Predefined mathematical functions
5725 @c
5726 @subsection Overview
5727
5728 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5729
5730 @cartouche
5731 @multitable @columnfractions .30 .70
5732 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5733 @item @code{abs(x)}
5734 @tab absolute value
5735 @cindex @code{abs()}
5736 @item @code{step(x)}
5737 @tab step function
5738 @cindex @code{step()}
5739 @item @code{csgn(x)}
5740 @tab complex sign
5741 @cindex @code{conjugate()}
5742 @item @code{conjugate(x)}
5743 @tab complex conjugation
5744 @cindex @code{real_part()}
5745 @item @code{real_part(x)}
5746 @tab real part
5747 @cindex @code{imag_part()}
5748 @item @code{imag_part(x)}
5749 @tab imaginary part
5750 @item @code{sqrt(x)}
5751 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5752 @cindex @code{sqrt()}
5753 @item @code{sin(x)}
5754 @tab sine
5755 @cindex @code{sin()}
5756 @item @code{cos(x)}
5757 @tab cosine
5758 @cindex @code{cos()}
5759 @item @code{tan(x)}
5760 @tab tangent
5761 @cindex @code{tan()}
5762 @item @code{asin(x)}
5763 @tab inverse sine
5764 @cindex @code{asin()}
5765 @item @code{acos(x)}
5766 @tab inverse cosine
5767 @cindex @code{acos()}
5768 @item @code{atan(x)}
5769 @tab inverse tangent
5770 @cindex @code{atan()}
5771 @item @code{atan2(y, x)}
5772 @tab inverse tangent with two arguments
5773 @item @code{sinh(x)}
5774 @tab hyperbolic sine
5775 @cindex @code{sinh()}
5776 @item @code{cosh(x)}
5777 @tab hyperbolic cosine
5778 @cindex @code{cosh()}
5779 @item @code{tanh(x)}
5780 @tab hyperbolic tangent
5781 @cindex @code{tanh()}
5782 @item @code{asinh(x)}
5783 @tab inverse hyperbolic sine
5784 @cindex @code{asinh()}
5785 @item @code{acosh(x)}
5786 @tab inverse hyperbolic cosine
5787 @cindex @code{acosh()}
5788 @item @code{atanh(x)}
5789 @tab inverse hyperbolic tangent
5790 @cindex @code{atanh()}
5791 @item @code{exp(x)}
5792 @tab exponential function
5793 @cindex @code{exp()}
5794 @item @code{log(x)}
5795 @tab natural logarithm
5796 @cindex @code{log()}
5797 @item @code{Li2(x)}
5798 @tab dilogarithm
5799 @cindex @code{Li2()}
5800 @item @code{Li(m, x)}
5801 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5802 @cindex @code{Li()}
5803 @item @code{G(a, y)}
5804 @tab multiple polylogarithm
5805 @cindex @code{G()}
5806 @item @code{G(a, s, y)}
5807 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5808 @cindex @code{G()}
5809 @item @code{S(n, p, x)}
5810 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5811 @cindex @code{S()}
5812 @item @code{H(m, x)}
5813 @tab harmonic polylogarithm
5814 @cindex @code{H()}
5815 @item @code{zeta(m)}
5816 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5817 @cindex @code{zeta()}
5818 @item @code{zeta(m, s)}
5819 @tab alternating Euler sum
5820 @cindex @code{zeta()}
5821 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5822 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5823 @item @code{tgamma(x)}
5824 @tab gamma function
5825 @cindex @code{tgamma()}
5826 @cindex gamma function
5827 @item @code{lgamma(x)}
5828 @tab logarithm of gamma function
5829 @cindex @code{lgamma()}
5830 @item @code{beta(x, y)}
5831 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5832 @cindex @code{beta()}
5833 @item @code{psi(x)}
5834 @tab psi (digamma) function
5835 @cindex @code{psi()}
5836 @item @code{psi(n, x)}
5837 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5838 @item @code{factorial(n)}
5839 @tab factorial function @math{n!}
5840 @cindex @code{factorial()}
5841 @item @code{binomial(n, k)}
5842 @tab binomial coefficients
5843 @cindex @code{binomial()}
5844 @item @code{Order(x)}
5845 @tab order term function in truncated power series
5846 @cindex @code{Order()}
5847 @end multitable
5848 @end cartouche
5849
5850 @cindex branch cut
5851 For functions that have a branch cut in the complex plane GiNaC follows
5852 the conventions for C++ as defined in the ANSI standard as far as
5853 possible.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and the
5854 square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running along the
5855 negative real axis where the points on the axis itself belong to the
5856 upper part (i.e. continuous with quadrant II).  The inverse
5857 trigonometric and hyperbolic functions are not defined for complex
5858 arguments by the C++ standard, however.  In GiNaC we follow the
5859 conventions used by CLN, which in turn follow the carefully designed
5860 definitions in the Common Lisp standard.  It should be noted that this
5861 convention is identical to the one used by the C99 standard and by most
5862 serious CAS.  It is to be expected that future revisions of the C++
5863 standard incorporate these functions in the complex domain in a manner
5864 compatible with C99.
5865
5866 @node Multiple polylogarithms, Complex expressions, Built-in functions, Methods and functions
5867 @c    node-name, next, previous, up
5868 @subsection Multiple polylogarithms
5869
5870 @cindex polylogarithm
5871 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
5872 @cindex harmonic polylogarithm
5873 @cindex multiple zeta value
5874 @cindex alternating Euler sum
5875 @cindex multiple polylogarithm
5876
5877 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
5878 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
5879 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
5880 Everyone of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
5881 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
5882 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
5883 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
5884 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
5885 notations are more natural to the series representation or the integral
5886 representation, respectively.
5887
5888 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
5889 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
5890 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
5891
5892 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
5893 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
5894 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
5895 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
5896 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
5897 @code{s} is not given, the signs default to +1.
5898 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
5899 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
5900 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
5901 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
5902 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
5903
5904 The functions print in LaTeX format as
5905 @tex
5906 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
5907 @end tex
5908 @tex
5909 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
5910 @end tex
5911 @tex
5912 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
5913 @end tex
5914 @tex
5915 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
5916 @end tex
5917 @ifnottex
5918 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
5919 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
5920 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
5921 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
5922 @end ifnottex
5923 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
5924 are printed with a line above, e.g.
5925 @tex
5926 $\zeta(5,\overline{2})$.
5927 @end tex
5928 @ifnottex
5929 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
5930 @end ifnottex
5931 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
5932
5933 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
5934 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
5935 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
5936 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
5937
5938 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
5939 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
5940 the series representation. This means
5941 @tex
5942 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
5943 @end tex
5944 @tex
5945 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
5946 @end tex
5947 @tex
5948 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
5949 @end tex
5950 @ifnottex
5951 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
5952 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
5953 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
5954 @end ifnottex
5955 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
5956 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
5957
5958 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
5959 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
5960 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
5961 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
5962 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
5963 @code{zeta(lst(3,4), lst(-1,1))} means
5964 @tex
5965 $\zeta(\overline{3},4)$
5966 @end tex
5967 @ifnottex
5968 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
5969 @end ifnottex
5970 and
5971 @code{G(lst(a,b), lst(-1,1), c)} means
5972 @tex
5973 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
5974 @end tex
5975 @ifnottex
5976 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
5977 @end ifnottex
5978 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
5979 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
5980 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
5981 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
5982 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
5983 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
5984 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
5985
5986 @example
5987 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
5988 S(2,2,x)
5989 > H(@{-3,2@},1);
5990 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
5991 > S(3,1,1);
5992 1/90*Pi^4
5993 @end example
5994
5995 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
5996 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
5997 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
5998 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
5999 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6000 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6001
6002 @example
6003 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6004 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6005 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6006 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6007 @end example
6008
6009 Every function can be numerically evaluated for
6010 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6011 global variable @code{Digits}:
6012
6013 @example
6014 > Digits=100;
6015 100
6016 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6017 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6018 @end example
6019
6020 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6021 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6022
6023 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6024 unevaluated, e.g.
6025 @tex
6026 $\zeta(1)$.
6027 @end tex
6028 @ifnottex
6029 @command{zeta(1)}.
6030 @end ifnottex
6031 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6032 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6033 cancellations of divergencies happen.
6034
6035 Useful publications:
6036
6037 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6038 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6039
6040 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6041 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6042
6043 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6044 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6045
6046 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6047 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6048
6049 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6050 @c    node-name, next, previous, up
6051 @section Complex expressions
6052 @c
6053 @cindex @code{conjugate()}
6054
6055 For dealing with complex expressions there are the methods
6056
6057 @example
6058 ex ex::conjugate();
6059 ex ex::real_part();
6060 ex ex::imag_part();
6061 @end example
6062
6063 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6064 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6065 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6066 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6067 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6068 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6069 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6070 (symbols are complex by default), one could not simplify
6071 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6072 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6073
6074 For example,
6075 @example
6076 @{
6077     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6078     symbol x("x");
6079     realsymbol y("y");
6080                                            
6081     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6082      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6083     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6084      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6085 @}
6086 @end example
6087
6088 If you declare your own GiNaC functions, then they will conjugate themselves
6089 by conjugating their arguments. This is the default strategy. If you want to
6090 change this behavior, you have to supply a specialized conjugation method
6091 for your function (see @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code
6092 for @code{abs} as an example). Also, specialized methods can be provided
6093 to take real and imaginary parts of user-defined functions.
6094
6095 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6096 @c    node-name, next, previous, up
6097 @section Solving linear systems of equations
6098 @cindex @code{lsolve()}
6099
6100 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6101 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6102 needs to be solved:
6103
6104 @example
6105 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6106           unsigned options = solve_algo::automatic);
6107 @end example
6108
6109 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6110 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6111 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6112 @code{lst}).
6113
6114 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6115 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6116
6117 @example
6118 @{
6119     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6120     lst eqns, vars;
6121     eqns = a*x+b*y==3, x-y==b;
6122     vars = x, y;
6123     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6124      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6125 @end example
6126
6127 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6128 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6129 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6130 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6131 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6132 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6133 around that method.
6134
6135
6136 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6137 @c    node-name, next, previous, up
6138 @section Input and output of expressions
6139 @cindex I/O
6140
6141 @subsection Expression output
6142 @cindex printing
6143 @cindex output of expressions
6144
6145 Expressions can simply be written to any stream:
6146
6147 @example
6148 @{
6149     symbol x("x");
6150     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6151     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6152     // ...
6153 @end example
6154
6155 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6156 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6157 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6158 is printed as @samp{x^2}).
6159
6160 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6161 a set of stream manipulators;
6162
6163 @example
6164 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6165 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6166 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6167 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6168 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6169 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6170 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6171 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6172 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6173 @end example
6174
6175 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6176 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6177 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6178
6179 @cindex @code{dflt}
6180 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6181 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6182
6183 @example
6184     // ...
6185     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6186                               // now on
6187     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6188     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6189     cout << dflt;             // revert to default output format
6190     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6191     // ...
6192 @end example
6193
6194 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6195 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6196
6197 @example
6198     // ...
6199     ostringstream s;
6200     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6201     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6202     // ...
6203 @end example
6204
6205 @anchor{csrc printing}
6206 @cindex @code{csrc}
6207 @cindex @code{csrc_float}
6208 @cindex @code{csrc_double}
6209 @cindex @code{csrc_cl_N}
6210 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6211 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6212 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6213 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6214 classes provided by the CLN library):
6215
6216 @example
6217     // ...
6218     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6219     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6220     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6221     // ...
6222 @end example
6223
6224 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6225 @code{x*x}):
6226
6227 @example
6228 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6229 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6230 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6231 @end example
6232
6233 @cindex @code{tree}
6234 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6235 expression for debugging purposes:
6236
6237 @example
6238     // ...
6239     cout << tree << e;
6240 @}
6241 @end example
6242
6243 produces
6244
6245 @example
6246 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6247     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6248         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6249         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6250     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6251     -----
6252     overall_coeff
6253     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6254     =====
6255 @end example
6256
6257 @cindex @code{latex}
6258 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6259 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6260 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6261 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6262 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6263 constructor.
6264
6265 For example, the code snippet
6266
6267 @example
6268 @{
6269     symbol x("x", "\\circ");
6270     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6271     cout << latex << e << endl;
6272 @}
6273 @end example
6274
6275 will print
6276
6277 @example
6278     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6279     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6280 @end example
6281
6282 @cindex @code{index_dimensions}
6283 @cindex @code{no_index_dimensions}
6284 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6285 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6286 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6287 formats:
6288
6289 @example
6290 @{
6291     symbol x("x"), y("y");
6292     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6293     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6294
6295     cout << e << endl;
6296      // prints 'x~mu*y~nu'
6297     cout << index_dimensions << e << endl;
6298      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6299     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6300      // prints 'x~mu*y~nu'
6301 @}
6302 @end example
6303
6304
6305 @cindex Tree traversal
6306 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6307 with other algebra systems or for producing code for different
6308 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6309
6310 @example
6311 static void my_print(const ex & e)
6312 @{
6313     if (is_a<function>(e))
6314         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6315     else
6316         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6317     cout << "(";
6318     size_t n = e.nops();
6319     if (n)
6320         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6321             my_print(e.op(i));
6322             if (i != n-1)
6323                 cout << ",";
6324         @}
6325     else
6326         cout << e;
6327     cout << ")";
6328 @}
6329
6330 int main()
6331 @{
6332     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6333     return 0;
6334 @}
6335 @end example
6336
6337 This will produce
6338
6339 @example
6340 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6341 symbol(y))),numeric(-2)))
6342 @end example
6343
6344 If you need an output format that makes it possible to accurately
6345 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6346 object factory, you should consider storing the expression in an
6347 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6348 See the section on archiving for more information.
6349
6350
6351 @subsection Expression input
6352 @cindex input of expressions
6353
6354 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6355 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6356 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6357 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6358 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6359
6360 Instead, GiNaC lets you construct an expression from a string, specifying the
6361 list of symbols to be used:
6362
6363 @example
6364 @{
6365     symbol x("x"), y("y");
6366     ex e("2*x+sin(y)", lst(x, y));
6367 @}
6368 @end example
6369
6370 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6371 output operator @code{<<}. The symbols in the string are matched by name to
6372 the symbols in the list and if GiNaC encounters a symbol not specified in
6373 the list it will throw an exception.
6374
6375 With this constructor, it's also easy to implement interactive GiNaC programs:
6376
6377 @example
6378 #include <iostream>
6379 #include <string>
6380 #include <stdexcept>
6381 #include <ginac/ginac.h>
6382 using namespace std;
6383 using namespace GiNaC;
6384
6385 int main()
6386 @{
6387     symbol x("x");
6388     string s;
6389
6390     cout << "Enter an expression containing 'x': ";
6391     getline(cin, s);
6392
6393     try @{
6394         ex e(s, lst(x));
6395         cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6396         cout << e.diff(x) << ".\n";
6397     @} catch (exception &p) @{
6398         cerr << p.what() << endl;
6399     @}
6400 @}
6401 @end example
6402
6403 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6404 @cindex compiling expressions
6405
6406 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6407 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6408 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6409 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6410 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6411 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6412 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6413 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6414 the numerical evaluation into different execution stages.
6415
6416 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6417 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6418 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6419 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6420 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6421 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6422
6423 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6424
6425 @example
6426     // ...
6427     symbol x("x");
6428     ex myexpr = sin(x) / x;
6429
6430     FUNCP_1P fp;
6431     compile_ex(myexpr, x, fp);
6432
6433     cout << fp(3.2) << endl;
6434     // ...
6435 @end example
6436
6437 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6438 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6439 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6440 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6441
6442 @cindex FUNCP_1P
6443 @cindex FUNCP_2P
6444 @cindex FUNCP_CUBA
6445 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6446 pointer types at the moment:
6447
6448 @example
6449     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6450     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6451     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6452 @end example
6453
6454 @cindex CUBA library
6455 @cindex Monte Carlo integration
6456 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6457 the correct type to be used with the CUBA library
6458 (@uref{http://www.feynarts/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6459 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6460
6461 @cindex compile_ex
6462 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6463
6464 @example
6465     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6466                     const std::string filename = "");
6467     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6468                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6469     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6470                     const std::string filename = "");
6471 @end example
6472
6473 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6474 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6475 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6476 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6477 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6478 deleted.
6479
6480 @cindex link_ex
6481 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6482 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6483 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6484 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6485 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6486 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6487 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6488
6489 @example
6490     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6491     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6492     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6493 @end example
6494
6495 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6496 to be supplied.
6497
6498 The function
6499
6500 @cindex unlink_ex
6501 @example
6502     void unlink_ex(const std::string filename);
6503 @end example
6504
6505 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6506 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6507 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6508 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6509
6510 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6511 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6512 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6513 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6514 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6515 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6516 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6517 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6518
6519 @cindex ginac-excompiler
6520 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6521 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6522 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$PREFIX/bin}
6523 directory.
6524
6525 @subsection Archiving
6526 @cindex @code{archive} (class)
6527 @cindex archiving
6528
6529 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6530 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6531 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6532 expression a unique name:
6533
6534 @example
6535 #include <fstream>
6536 using namespace std;
6537 #include <ginac/ginac.h>
6538 using namespace GiNaC;
6539
6540 int main()
6541 @{
6542     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6543
6544     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6545     ex bar = foo + 1;
6546
6547     archive a;
6548     a.archive_ex(foo, "foo");
6549     a.archive_ex(bar, "the second one");
6550     // ...
6551 @end example
6552
6553 The archive can then be written to a file:
6554
6555 @example
6556     // ...
6557     ofstream out("foobar.gar");
6558     out << a;
6559     out.close();
6560     // ...
6561 @end example
6562
6563 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6564 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}.
6565
6566 @cindex @command{viewgar}
6567 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6568 the contents of GiNaC archive files:
6569
6570 @example
6571 $ viewgar foobar.gar
6572 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6573 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6574 @end example
6575
6576 The point of writing archive files is of course that they can later be
6577 read in again:
6578
6579 @example
6580     // ...
6581     archive a2;
6582     ifstream in("foobar.gar");
6583     in >> a2;
6584     // ...
6585 @end example
6586
6587 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6588
6589 @example
6590     // ...
6591     lst syms;
6592     syms = x, y;
6593
6594     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6595     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6596
6597     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6598     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6599     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6600 @}
6601 @end example
6602
6603 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6604 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6605 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6606 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6607 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6608 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6609 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6610 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6611
6612 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6613 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6614 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6615 functions that let you access the stored properties:
6616
6617 @example
6618 static void my_print2(const archive_node & n)
6619 @{
6620     string class_name;
6621     n.find_string("class", class_name);
6622     cout << class_name << "(";
6623
6624     archive_node::propinfovector p;
6625     n.get_properties(p);
6626
6627     size_t num = p.size();
6628     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6629         const string &name = p[i].name;
6630         if (name == "class")
6631             continue;
6632         cout << name << "=";
6633
6634         unsigned count = p[i].count;
6635         if (count > 1)
6636             cout << "@{";
6637
6638         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6639             switch (p[i].type) @{
6640                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6641                     bool x;
6642                     n.find_bool(name, x, j);
6643                     cout << (x ? "true" : "false");
6644                     break;
6645                 @}
6646                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6647                     unsigned x;
6648                     n.find_unsigned(name, x, j);
6649                     cout << x;
6650                     break;
6651                 @}
6652                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6653                     string x;
6654                     n.find_string(name, x, j);
6655                     cout << '\"' << x << '\"';
6656                     break;
6657                 @}
6658                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6659                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6660                     my_print2(x);
6661                     break;
6662                 @}
6663             @}
6664
6665             if (j != count-1)
6666                 cout << ",";
6667         @}
6668
6669         if (count > 1)
6670             cout << "@}";
6671
6672         if (i != num-1)
6673             cout << ",";
6674     @}
6675
6676     cout << ")";
6677 @}
6678
6679 int main()
6680 @{
6681     ex e = pow(2, x) - y;
6682     archive ar(e, "e");
6683     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6684     return 0;
6685 @}
6686 @end example
6687
6688 This will produce:
6689
6690 @example
6691 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6692 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6693 overall_coeff=numeric(number="0"))
6694 @end example
6695
6696 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6697 class may change between GiNaC versions.
6698
6699
6700 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6701 @c    node-name, next, previous, up
6702 @chapter Extending GiNaC
6703
6704 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6705 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6706 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6707 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6708 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6709 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6710
6711 @menu
6712 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6713 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6714 * Printing::                         Adding new output formats.
6715 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6716 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
6717 @end menu
6718
6719
6720 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
6721 @c    node-name, next, previous, up
6722 @section What doesn't belong into GiNaC
6723
6724 @cindex @command{ginsh}
6725 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
6726 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
6727 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
6728 language.  There are no loops or conditional expressions in
6729 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
6730 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
6731 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
6732 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
6733 the future.
6734
6735 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
6736 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
6737 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
6738 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
6739 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
6740 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
6741 provided by CLN are much better suited.
6742
6743
6744 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
6745 @c    node-name, next, previous, up
6746 @section Symbolic functions
6747
6748 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
6749 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
6750 two preprocessor macros:
6751
6752 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
6753 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
6754 @example
6755 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
6756 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
6757 @end example
6758
6759 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
6760 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
6761 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
6762 @code{function} object that represents your function.
6763
6764 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
6765 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
6766 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
6767 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
6768 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
6769 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
6770 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
6771 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
6772
6773 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
6774 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
6775 done our best to avoid macros where we can.)
6776
6777 @subsection A minimal example
6778
6779 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
6780 that is not further evaluated:
6781
6782 @example
6783 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
6784
6785 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
6786 @end example
6787
6788 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
6789 in algebraic expressions:
6790
6791 @example
6792 @{
6793     ...
6794     symbol x("x");
6795     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
6796     cout << e << endl;
6797      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
6798     ...
6799 @}
6800 @end example
6801
6802 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
6803 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
6804 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
6805 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
6806
6807 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
6808 example of how to make an "intelligent" function.
6809
6810 @subsection The cosine function
6811
6812 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
6813
6814 @example
6815 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
6816 @end example
6817
6818 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
6819 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
6820 this function in expressions.
6821
6822 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
6823 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
6824
6825 @example
6826 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
6827                        evalf_func(cos_evalf).
6828                        derivative_func(cos_deriv).
6829                        latex_name("\\cos"));
6830 @end example
6831
6832 There are four options defined for the cosine function. One of them
6833 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
6834 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
6835 function are defined.
6836
6837 @cindex @code{hold()}
6838 @cindex evaluation
6839 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
6840 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
6841 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
6842 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
6843 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
6844 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
6845 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
6846 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
6847 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
6848 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
6849 somewhere.
6850
6851 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
6852 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
6853 what is going on):
6854
6855 @example
6856 static ex cos_eval(const ex & x)
6857 @{
6858     if ("x is a multiple of 2*Pi")
6859         return 1;
6860     else if ("x is a multiple of Pi")
6861         return -1;
6862     else if ("x is a multiple of Pi/2")
6863         return 0;
6864     // more rules...
6865
6866     else if ("x has the form 'acos(y)'")
6867         return y;
6868     else if ("x has the form 'asin(y)'")
6869         return sqrt(1-y^2);
6870     // more rules...
6871
6872     else
6873         return cos(x).hold();
6874 @}
6875 @end example
6876
6877 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
6878
6879 @example
6880 @{
6881     ...
6882     e = cos(Pi);
6883      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
6884      // the actual expression
6885     cout << e << endl;
6886      // prints '-1'
6887     ...
6888 @}
6889 @end example
6890
6891 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
6892 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
6893 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
6894 with @code{.hold()}.
6895
6896 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
6897 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
6898 different function:
6899
6900 @example
6901 static ex cos_evalf(const ex & x)
6902 @{
6903     if (is_a<numeric>(x))
6904         return cos(ex_to<numeric>(x));
6905     else
6906         return cos(x).hold();
6907 @}
6908 @end example
6909
6910 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
6911 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
6912 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
6913 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
6914 function would require it in this place.
6915
6916 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
6917 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
6918 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
6919 @code{ex::diff}):
6920
6921 @example
6922 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
6923 @{
6924     return -sin(x);
6925 @}
6926 @end example
6927
6928 @cindex product rule
6929 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
6930 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
6931 case the function has more than one parameter, and its main application
6932 is for correct handling of the chain rule.
6933
6934 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
6935 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
6936 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
6937 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
6938
6939 @example
6940 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
6941                      int order, unsigned options)
6942 @{
6943     // Find the actual expansion point
6944     const ex x_pt = x.subs(rel);
6945
6946     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
6947         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
6948
6949     // On a pole, expand sin()/cos()
6950     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
6951 @}
6952 @end example
6953
6954 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
6955 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
6956
6957 @subsection Function options
6958
6959 GiNaC functions understand several more options which are always
6960 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
6961 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
6962 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
6963 functions without any special options.
6964
6965 @example
6966 eval_func(<C++ function>)
6967 evalf_func(<C++ function>)
6968 derivative_func(<C++ function>)
6969 series_func(<C++ function>)
6970 conjugate_func(<C++ function>)
6971 @end example
6972
6973 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
6974 numeric evaluation, partial derivatives, and series expansion, respectively.
6975 They correspond to the GiNaC methods @code{eval()}, @code{evalf()},
6976 @code{diff()} and @code{series()}.
6977
6978 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
6979 automatic evaluation is desired or possible.
6980
6981 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
6982 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
6983 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
6984 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
6985 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
6986 suitable transformation.
6987
6988 @example
6989 latex_name(const string & n)
6990 @end example
6991
6992 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
6993 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
6994
6995 @example
6996 do_not_evalf_params()
6997 @end example
6998
6999 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7000 function before calling the @code{evalf_func()}.
7001
7002 @example
7003 set_return_type(unsigned return_type, unsigned return_type_tinfo)
7004 @end example
7005
7006 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7007 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7008 (non)commutativity in GiNaC). For example, you can use
7009 @code{set_return_type(return_types::noncommutative, TINFO_matrix)} to make
7010 GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7011 commutation properties of their first argument.
7012
7013 @example
7014 set_symmetry(const symmetry & s)
7015 @end example
7016
7017 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7018 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7019 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7020 symmetric functions into a canonical order.
7021
7022 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7023 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7024 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7025 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7026 with the
7027
7028 @example
7029 print_func<C>(<C++ function>)
7030 @end example
7031
7032 option which is explained in the next section.
7033
7034 @subsection Functions with a variable number of arguments
7035
7036 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7037 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7038 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7039 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7040 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7041
7042 It is also possible to define functions that accept a different number of
7043 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7044 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7045 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7046 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7047 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7048 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7049 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7050 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7051
7052
7053 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7054 @c    node-name, next, previous, up
7055 @section GiNaC's expression output system
7056
7057 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7058 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7059 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7060 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7061 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7062 functions.
7063
7064 @cindex @code{print_context} (class)
7065 @cindex @code{print_dflt} (class)
7066 @cindex @code{print_latex} (class)
7067 @cindex @code{print_tree} (class)
7068 @cindex @code{print_csrc} (class)
7069 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7070 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7071 header file:
7072
7073 @table @code
7074 @item print_dflt
7075 the default output format
7076 @item print_latex
7077 output in LaTeX mathematical mode
7078 @item print_tree
7079 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7080 @item print_csrc
7081 the base class for C source output
7082 @item print_csrc_float
7083 C source output using the @code{float} type
7084 @item print_csrc_double
7085 C source output using the @code{double} type
7086 @item print_csrc_cl_N
7087 C source output using CLN types
7088 @end table
7089
7090 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7091
7092 @example
7093 class print_context
7094 @{
7095     ...
7096 public:
7097     std::ostream & s;
7098     unsigned options;
7099 @};
7100 @end example
7101
7102 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7103 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7104 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7105 to print the index dimension which is normally hidden.
7106
7107 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7108 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7109 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7110 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7111
7112 @cindex @code{print()}
7113 @example
7114 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7115 @end example
7116
7117 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7118 top-level algebraic object contained in the expression.
7119
7120 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7121 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7122 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7123 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7124 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7125 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7126 (single) virtual function dispatch.
7127
7128 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7129 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7130 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7131 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7132 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7133 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7134 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7135 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7136 object's class name enclosed in square brackets).
7137
7138 You can think of the print methods of all the different classes and output
7139 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7140 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7141 classes.
7142
7143 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7144 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7145 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7146 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7147 methods at run-time).
7148
7149 @subsection Print methods for classes
7150
7151 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7152 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7153 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7154 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7155 can also be used to override existing methods dynamically.
7156
7157 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7158 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7159 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7160 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7161 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7162 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7163 the class is the one being implemented by
7164 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7165
7166 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7167 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7168 @code{unsigned}.
7169
7170 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7171 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7172 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7173 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7174 private and protected members of @code{T}.
7175
7176 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7177 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7178 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7179 purposes if you write your own output formats.
7180
7181 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7182 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7183 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7184 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7185
7186 @example
7187 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7188                              const print_latex & c,
7189                              unsigned level)
7190 @{
7191     // get the precedence of the 'power' class
7192     unsigned power_prec = p.precedence();
7193
7194     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7195     // we need parentheses around the power
7196     if (level >= power_prec)
7197         c.s << '(';
7198
7199     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7200     // separated by an uparrow
7201     c.s << '@{';
7202     p.op(0).print(c, power_prec);
7203     c.s << "@}\\uparrow@{";
7204     p.op(1).print(c, power_prec);
7205     c.s << '@}';
7206
7207     // don't forget the closing parenthesis
7208     if (level >= power_prec)
7209         c.s << ')';
7210 @}
7211                                                                                 
7212 int main()
7213 @{
7214     // a sample expression
7215     symbol x("x"), y("y");
7216     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7217
7218     // switch to LaTeX mode
7219     cout << latex;
7220
7221     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7222     cout << e << endl;
7223
7224     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7225     // our own one
7226     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7227
7228     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7229     //              \uparrow@{2@}@}"
7230     cout << e << endl;
7231 @}
7232 @end example
7233
7234 Some notes:
7235
7236 @itemize
7237
7238 @item
7239 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7240 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7241
7242 @item
7243 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7244 @code{power} objects for the purpose of printing.
7245
7246 @item
7247 The output of products including negative powers as fractions is also
7248 controlled by the @code{mul} class.
7249
7250 @item
7251 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7252 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7253
7254 @end itemize
7255
7256 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7257 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7258 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7259 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7260 sources, find the method that is installed at startup
7261 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7262 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7263
7264 @subsection Print methods for functions
7265
7266 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7267 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7268 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7269 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7270 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7271
7272 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7273
7274 @example
7275 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7276 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7277                                                                                 
7278 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7279 @{
7280     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7281 @}
7282                                                                                 
7283 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7284 @{
7285     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7286 @}
7287                                                                                 
7288 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7289                        evalf_func(abs_evalf).
7290                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7291                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7292                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7293 @end example
7294
7295 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7296 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7297
7298 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7299
7300 @subsection Adding new output formats
7301
7302 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7303 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7304 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7305 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7306 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7307 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7308 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7309 options value.
7310
7311 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7312
7313 @example
7314 class print_myformat : public print_dflt
7315 @{
7316     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7317 public:
7318     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7319      : print_dflt(os, opt) @{@}
7320 @};
7321
7322 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7323
7324 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7325 @end example
7326
7327 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7328 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7329 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7330 format are implemented as print methods, as described above.
7331
7332 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7333 exactly like GiNaC's default output format:
7334
7335 @example
7336 @{
7337     symbol x("x");
7338     ex e = pow(x, 2) + 1;
7339
7340     // this prints "1+x^2"
7341     cout << e << endl;
7342     
7343     // this also prints "1+x^2"
7344     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7345
7346     ...
7347 @}
7348 @end example
7349
7350 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7351 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7352
7353 @example
7354 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7355 // example above for explanations.
7356 void print_power_as_myformat(const power & p,
7357                              const print_myformat & c,
7358                              unsigned level)
7359 @{
7360     unsigned power_prec = p.precedence();
7361     if (level >= power_prec)
7362         c.s << '(';
7363     p.op(0).print(c, power_prec);
7364     c.s << "**";
7365     p.op(1).print(c, power_prec);
7366     if (level >= power_prec)
7367         c.s << ')';
7368 @}
7369
7370 @{
7371     ...
7372     // install a new print method for power objects
7373     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7374
7375     // now this prints "1+x**2"
7376     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7377
7378     // but the default format is still "1+x^2"
7379     cout << e << endl;
7380 @}
7381 @end example
7382
7383
7384 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7385 @c    node-name, next, previous, up
7386 @section Structures
7387
7388 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7389 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7390 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7391 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7392 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7393
7394 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7395 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7396 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7397 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7398 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7399 read both sections because many common concepts and member functions are
7400 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7401 is most suited to your needs.
7402
7403 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7404 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7405 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7406
7407 @subsection Example: scalar products
7408
7409 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7410 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7411 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7412 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7413 product in a C++ @code{struct}:
7414
7415 @example
7416 #include <iostream>
7417 using namespace std;
7418
7419 #include <ginac/ginac.h>
7420 using namespace GiNaC;
7421
7422 struct sprod_s @{
7423     ex left, right;
7424
7425     sprod_s() @{@}
7426     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7427 @};
7428 @end example
7429
7430 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7431 data structure, we need only one line:
7432
7433 @example
7434 typedef structure<sprod_s> sprod;
7435 @end example
7436
7437 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7438 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7439 expressions like any other GiNaC class:
7440
7441 @example
7442 ...
7443     symbol a("a"), b("b");
7444     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7445 ...
7446 @end example
7447
7448 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7449 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7450 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7451 constructed from an @code{sprod_s} object.
7452
7453 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7454 you could define a little wrapper function like this:
7455
7456 @example
7457 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7458 @{
7459     return sprod(sprod_s(left, right));
7460 @}
7461 @end example
7462
7463 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7464 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7465 @code{get_struct()}:
7466
7467 @example
7468 ...
7469     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7470      // -> a
7471     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7472      // -> b
7473 ...
7474 @end example
7475
7476 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7477
7478 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7479 that deal with scalar products, for example:
7480
7481 @example
7482 ex swap_sprod(ex p)
7483 @{
7484     if (is_a<sprod>(p)) @{
7485         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7486         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7487     @} else
7488         return p;
7489 @}
7490
7491 ...
7492     f = swap_sprod(e);
7493      // f is now <b|a>
7494 ...
7495 @end example
7496
7497 @subsection Structure output
7498
7499 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7500 desired, most notably proper output:
7501
7502 @example
7503 ...
7504     cout << e << endl;
7505      // -> [structure object]
7506 ...
7507 @end example
7508
7509 By default, any structure types you define will be printed as
7510 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7511 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7512 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7513 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7514 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7515 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7516
7517 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7518 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7519
7520 @example
7521 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7522 @{
7523     // tree debug output handled by superclass
7524     if (is_a<print_tree>(c))
7525         inherited::print(c, level);
7526
7527     // get the contained sprod_s object
7528     const sprod_s & sp = get_struct();
7529
7530     // print_context::s is a reference to an ostream
7531     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7532 @}
7533 @end example
7534
7535 Now we can print expressions containing scalar products:
7536
7537 @example
7538 ...
7539     cout << e << endl;
7540      // -> <a|b>
7541     cout << swap_sprod(e) << endl;
7542      // -> <b|a>
7543 ...
7544 @end example
7545
7546 @subsection Comparing structures
7547
7548 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7549 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7550 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7551 and undesired behavior:
7552
7553 @example
7554 ...
7555     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7556      // -> 0
7557     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7558      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7559 ...
7560 @end example
7561
7562 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7563 for objects of type @code{sprod_s}:
7564
7565 @example
7566 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7567 @{
7568     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7569 @}
7570
7571 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7572 @{
7573     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7574            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7575 @}
7576 @end example
7577
7578 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7579 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7580 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7581 in the implementation of these operators because they would construct
7582 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7583 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7584 decide which one is algebraically 'less').
7585
7586 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7587 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7588
7589 @example
7590 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7591 @end example
7592
7593 @code{sprod} objects then behave as expected:
7594
7595 @example
7596 ...
7597     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7598      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7599     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7600      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7601     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7602      // -> 0
7603     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7604      // -> 2*<a|b>
7605 ...
7606 @end example
7607
7608 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7609 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7610 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7611 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7612 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7613 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7614
7615 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7616 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7617 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7618 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7619 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7620 undefined value) that the @code{T} class might have.
7621
7622 @subsection Subexpressions
7623
7624 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7625 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7626 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7627
7628 @example
7629 size_t sprod::nops() const
7630 @{
7631     return 2;
7632 @}
7633
7634 ex sprod::op(size_t i) const
7635 @{
7636     switch (i) @{
7637     case 0:
7638         return get_struct().left;
7639     case 1:
7640         return get_struct().right;
7641     default:
7642         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7643     @}
7644 @}
7645 @end example
7646
7647 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7648 @code{sprod} has two other nice side effects:
7649
7650 @itemize @bullet
7651 @item
7652 @code{has()} works as expected
7653 @item
7654 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7655 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7656 @end itemize
7657
7658 @cindex @code{let_op()}
7659 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7660 allows replacing subexpressions:
7661
7662 @example
7663 ex & sprod::let_op(size_t i)
7664 @{
7665     // every non-const member function must call this
7666     ensure_if_modifiable();
7667
7668     switch (i) @{
7669     case 0:
7670         return get_struct().left;
7671     case 1:
7672         return get_struct().right;
7673     default:
7674         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7675     @}
7676 @}
7677 @end example
7678
7679 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7680 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7681 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7682 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
7683
7684 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
7685 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
7686 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
7687 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
7688 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
7689 This is left as an exercise for the reader.
7690
7691 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
7692 you can override by specialization to customize the behavior of your
7693 structures. You are referred to the next section for a description of
7694 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
7695 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
7696 @code{structure<T>} template: archiving.
7697
7698 @subsection Archiving structures
7699
7700 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
7701 should first read the next section and then come back here. You're back?
7702 Good.
7703
7704 To implement archiving for structures it is not enough to provide
7705 specializations for the @code{archive()} member function and the
7706 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
7707 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
7708 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
7709 the class of an object is stored as a string, the class name.
7710
7711 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
7712 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
7713 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
7714 need to provide a different name for each by specializing the
7715 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
7716 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
7717
7718 @example
7719 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
7720
7721 void sprod::archive(archive_node & n) const
7722 @{
7723     inherited::archive(n);
7724     n.add_ex("left", get_struct().left);
7725     n.add_ex("right", get_struct().right);
7726 @}
7727
7728 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7729 @{
7730     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
7731     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
7732 @}
7733 @end example
7734
7735 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
7736 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
7737 @code{sprod::unarchive()} function.
7738
7739
7740 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
7741 @c    node-name, next, previous, up
7742 @section Adding classes
7743
7744 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
7745 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
7746 severe of which being that you can't add any new member functions to
7747 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
7748 from scratch.
7749
7750 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
7751 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
7752 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
7753 required member functions are that you have to implement. We only cover the
7754 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
7755 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
7756 representing tensor products is more involved but this section should give
7757 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
7758 classes if you want to implement something more complicated.
7759
7760 @subsection GiNaC's run-time type information system
7761
7762 @cindex hierarchy of classes
7763 @cindex RTTI
7764 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
7765 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
7766 @code{basic *} (which is essentially what an @code{ex} is) represents a
7767 generic pointer to an algebraic class. Occasionally it is necessary to find
7768 out what the class of an object pointed to by a @code{basic *} really is.
7769 Also, for the unarchiving of expressions it must be possible to find the
7770 @code{unarchive()} function of a class given the class name (as a string). A
7771 system that provides this kind of information is called a run-time type
7772 information (RTTI) system. The C++ language provides such a thing (see the
7773 standard header file @file{<typeinfo>}) but for efficiency reasons GiNaC
7774 implements its own, simpler RTTI.
7775
7776 The RTTI in GiNaC is based on two mechanisms:
7777
7778 @itemize @bullet
7779
7780 @item
7781 The @code{basic} class declares a member variable @code{tinfo_key} which
7782 holds a variable of @code{tinfo_t} type (which is actually just
7783 @code{const void*}) that identifies the object's class.
7784
7785 @item
7786 By means of some clever tricks with static members, GiNaC maintains a list
7787 of information for all classes derived from @code{basic}. The information
7788 available includes the class names, the @code{tinfo_key}s, and pointers
7789 to the unarchiving functions. This class registry is defined in the
7790 @file{registrar.h} header file.
7791
7792 @end itemize
7793
7794 The disadvantage of this proprietary RTTI implementation is that there's
7795 a little more to do when implementing new classes (C++'s RTTI works more
7796 or less automatically) but don't worry, most of the work is simplified by
7797 macros.
7798
7799 @subsection A minimalistic example
7800
7801 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
7802 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
7803 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
7804 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
7805 for your own classes.
7806
7807 The code snippets given here assume that you have included some header files
7808 as follows:
7809
7810 @example
7811 #include <iostream>
7812 #include <string>   
7813 #include <stdexcept>
7814 using namespace std;
7815
7816 #include <ginac/ginac.h>
7817 using namespace GiNaC;
7818 @end example
7819
7820 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
7821 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
7822 object from a C or C++ string:
7823
7824 @example
7825 class mystring : public basic
7826 @{
7827     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7828   
7829 public:
7830     mystring(const string & s);
7831     mystring(const char * s);
7832
7833 private:
7834     string str;
7835 @};
7836
7837 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
7838 @end example
7839
7840 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} and @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
7841 macros are defined in @file{registrar.h}. They take the name of the class
7842 and its direct superclass as arguments and insert all required declarations
7843 for the RTTI system. The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be
7844 the first line after the opening brace of the class definition. The
7845 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in the
7846 source (at global scope, of course, not inside a function).
7847
7848 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} contains, among other things the
7849 declarations of the default constructor and a couple of other functions that
7850 are required. It also defines a type @code{inherited} which refers to the
7851 superclass so you don't have to modify your code every time you shuffle around
7852 the class hierarchy. @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} registers the
7853 class with the GiNaC RTTI (there is also a
7854 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} which allows specifying additional
7855 options for the class, and which we will be using instead in a few minutes).
7856
7857 Now there are seven member functions we have to implement to get a working
7858 class:
7859
7860 @itemize
7861
7862 @item
7863 @code{mystring()}, the default constructor.
7864
7865 @item
7866 @code{void archive(archive_node & n)}, the archiving function. This stores all
7867 information needed to reconstruct an object of this class inside an
7868 @code{archive_node}.
7869
7870 @item
7871 @code{mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the unarchiving
7872 constructor. This constructs an instance of the class from the information
7873 found in an @code{archive_node}.
7874
7875 @item
7876 @code{ex unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)}, the static
7877 unarchiving function. It constructs a new instance by calling the unarchiving
7878 constructor.
7879
7880 @item
7881 @cindex @code{compare_same_type()}
7882 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
7883 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
7884 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
7885 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
7886 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
7887 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
7888 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
7889 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
7890 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
7891 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
7892 defined.
7893
7894 @item
7895 And, of course, @code{mystring(const string & s)} and @code{mystring(const char * s)}
7896 which are the two constructors we declared.
7897
7898 @end itemize
7899
7900 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
7901
7902 @example
7903 mystring::mystring() : inherited(&mystring::tinfo_static) @{@}
7904 @end example
7905
7906 The golden rule is that in all constructors you have to set the
7907 @code{tinfo_key} member to the @code{&your_class_name::tinfo_static}
7908 @footnote{Each GiNaC class has a static member called tinfo_static.
7909 This member is declared by the GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS macros
7910 and defined by the GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS macros.}. Otherwise
7911 it will be set by the constructor of the superclass and all hell will break
7912 loose in the RTTI. For your convenience, the @code{basic} class provides
7913 a constructor that takes a @code{tinfo_key} value, which we are using here
7914 (remember that in our case @code{inherited == basic}).  If the superclass
7915 didn't have such a constructor, we would have to set the @code{tinfo_key}
7916 to the right value manually.
7917
7918 In the default constructor you should set all other member variables to
7919 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
7920 member gets set to an empty string automatically).
7921
7922 Next are the three functions for archiving. You have to implement them even
7923 if you don't plan to use archives, but the minimum required implementation
7924 is really simple.  First, the archiving function:
7925
7926 @example
7927 void mystring::archive(archive_node & n) const
7928 @{
7929     inherited::archive(n);
7930     n.add_string("string", str);
7931 @}
7932 @end example
7933
7934 The only thing that is really required is calling the @code{archive()}
7935 function of the superclass. Optionally, you can store all information you
7936 deem necessary for representing the object into the passed
7937 @code{archive_node}.  We are just storing our string here. For more
7938 information on how the archiving works, consult the @file{archive.h} header
7939 file.
7940
7941 The unarchiving constructor is basically the inverse of the archiving
7942 function:
7943
7944 @example
7945 mystring::mystring(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
7946 @{
7947     n.find_string("string", str);
7948 @}
7949 @end example
7950
7951 If you don't need archiving, just leave this function empty (but you must
7952 invoke the unarchiving constructor of the superclass). Note that we don't
7953 have to set the @code{tinfo_key} here because it is done automatically
7954 by the unarchiving constructor of the @code{basic} class.
7955
7956 Finally, the unarchiving function:
7957
7958 @example
7959 ex mystring::unarchive(const archive_node & n, lst & sym_lst)
7960 @{
7961     return (new mystring(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated);
7962 @}
7963 @end example
7964
7965 You don't have to understand how exactly this works. Just copy these
7966 four lines into your code literally (replacing the class name, of
7967 course).  It calls the unarchiving constructor of the class and unless
7968 you are doing something very special (like matching @code{archive_node}s
7969 to global objects) you don't need a different implementation. For those
7970 who are interested: setting the @code{dynallocated} flag puts the object
7971 under the control of GiNaC's garbage collection.  It will get deleted
7972 automatically once it is no longer referenced.
7973
7974 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
7975 the string members:
7976
7977 @example
7978 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
7979 @{
7980     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
7981     int cmpval = str.compare(o.str);
7982     if (cmpval == 0)
7983         return 0;
7984     else if (cmpval < 0)
7985         return -1;
7986     else
7987         return 1;
7988 @}
7989 @end example
7990
7991 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
7992 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
7993 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
7994 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
7995 all relevant member variables.
7996
7997 Now the only thing missing is our two new constructors:
7998
7999 @example
8000 mystring::mystring(const string & s)
8001     : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
8002 mystring::mystring(const char * s)
8003     : inherited(&mystring::tinfo_static), str(s) @{@}
8004 @end example
8005
8006 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument and
8007 remember to pass the right @code{tinfo_key} to the @code{basic} constructor.
8008
8009 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8010 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8011
8012 @example
8013 ex e = mystring("Hello, world!");
8014 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8015  // -> 1 (true)
8016
8017 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8018  // -> mystring
8019 @end example
8020
8021 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8022
8023 @example
8024 cout << e << endl;
8025  // -> [mystring object]
8026 @end example
8027
8028 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8029 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8030 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8031 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8032 surrounded by double quotes:
8033
8034 @example
8035 class mystring : public basic
8036 @{
8037     ...
8038 protected:
8039     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8040     ...
8041 @};
8042
8043 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8044 @{
8045     // print_context::s is a reference to an ostream
8046     c.s << '\"' << str << '\"';
8047 @}
8048 @end example
8049
8050 The @code{level} argument is only required for container classes to
8051 correctly parenthesize the output.
8052
8053 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8054 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8055 replace the line
8056
8057 @example
8058 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8059 @end example
8060
8061 with
8062
8063 @example
8064 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8065   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8066 @end example
8067
8068 Let's try again to print the expression:
8069
8070 @example
8071 cout << e << endl;
8072  // -> "Hello, world!"
8073 @end example
8074
8075 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8076 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8077 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8078 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8079 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8080 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8081 way expression output is implemented in GiNaC.
8082
8083 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8084
8085 @example
8086 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8087 cout << e << endl;
8088  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8089 @end example
8090
8091 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8092
8093 @example
8094 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8095 cout << e << endl;
8096  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8097 @end example
8098
8099 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8100 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8101 for your objects.
8102
8103 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8104
8105 @example
8106 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8107 cout << e << endl;
8108  // -> "Wow"^2
8109
8110 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8111 cout << e.expand() << endl;
8112  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8113 @end example
8114
8115 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8116 concatenation. You would have to implement this yourself.
8117
8118 @subsection Automatic evaluation
8119
8120 @cindex evaluation
8121 @cindex @code{eval()}
8122 @cindex @code{hold()}
8123 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8124 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8125 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8126 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8127 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8128 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8129
8130 @example
8131 class mystring : public basic
8132 @{
8133     ...
8134 public:
8135     ex eval(int level = 0) const;
8136     ...
8137 @};
8138
8139 ex mystring::eval(int level) const
8140 @{
8141     string new_str;
8142     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8143         char c = str[i];
8144         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8145             new_str += tolower(c);
8146         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8147             new_str += c;
8148     @}
8149
8150     if (new_str.length() == 0)
8151         return 0;
8152     else
8153         return mystring(new_str).hold();
8154 @}
8155 @end example
8156
8157 The @code{level} argument is used to limit the recursion depth of the
8158 evaluation.  We don't have any subexpressions in the @code{mystring}
8159 class so we are not concerned with this.  If we had, we would call the
8160 @code{eval()} functions of the subexpressions with @code{level - 1} as
8161 the argument if @code{level != 1}.  The @code{hold()} member function
8162 sets a flag in the object that prevents further evaluation.  Otherwise
8163 we might end up in an endless loop.  When you want to return the object
8164 unmodified, use @code{return this->hold();}.
8165
8166 Let's confirm that it works:
8167
8168 @example
8169 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8170 cout << e << endl;
8171  // -> "helloworld"
8172
8173 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8174 cout << e << endl;
8175  // -> 3*"wow"
8176 @end example
8177
8178 @subsection Optional member functions
8179
8180 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8181 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8182 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8183
8184 @cindex @code{calchash()}
8185 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8186 @example
8187 unsigned calchash() const;
8188 bool is_equal_same_type(const basic & other) const;
8189 @end example
8190
8191 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8192 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8193 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8194 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8195 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8196 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8197
8198 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8199 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8200 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8201 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8202
8203 @subsection Other member functions
8204
8205 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8206 might want to provide:
8207
8208 @example
8209 bool info(unsigned inf) const;
8210 ex evalf(int level = 0) const;
8211 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const;
8212 ex derivative(const symbol & s) const;
8213 @end example
8214
8215 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8216 previous section) you will probably want to override
8217
8218 @cindex @code{let_op()}
8219 @example
8220 size_t nops() cont;
8221 ex op(size_t i) const;
8222 ex & let_op(size_t i);
8223 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const;
8224 ex map(map_function & f) const;
8225 @end example
8226
8227 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8228 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8229 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8230
8231 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8232 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8233 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8234 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8235 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8236 should become a need.
8237
8238 That's it. May the source be with you!
8239
8240 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8241
8242 If you got some extension classes for GiNaC 1.3.X some changes are
8243 necessary in order to make your code work with GiNaC 1.4.
8244
8245 @itemize @bullet
8246 @item constructors which set @code{tinfo_key} such as
8247
8248 @example
8249 myclass::myclass() : inherited(TINFO_myclass) @{@}
8250 @end example
8251
8252 need to be rewritten as
8253
8254 @example
8255 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8256 @end example
8257
8258 @item TINO_myclass is not necessary any more and can be removed.
8259
8260 @end itemize
8261
8262
8263 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8264 @c    node-name, next, previous, up
8265 @chapter A Comparison With Other CAS
8266 @cindex advocacy
8267
8268 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8269 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8270 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8271 disadvantages over these systems.
8272
8273 @menu
8274 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8275 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8276 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8277 @end menu
8278
8279 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8280 @c    node-name, next, previous, up
8281 @section Advantages
8282
8283 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8284 Algebra Systems, like 
8285
8286 @itemize @bullet
8287
8288 @item
8289 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8290 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8291 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8292 in common C++, which is standardized.
8293
8294 @cindex STL
8295 @item
8296 structured data types: you can build up structured data types using
8297 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8298 using unnamed lists of lists of lists.
8299
8300 @item
8301 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8302 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8303 nice for novice programmers, but dangerous.
8304     
8305 @item
8306 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8307 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8308 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8309
8310 @item
8311 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8312 separating interface and implementation.
8313
8314 @item
8315 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8316 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8317 C++-compilers for free, too.
8318     
8319 @item
8320 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8321 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8322 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8323 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8324 fix bugs in a traditional system.
8325
8326 @item
8327 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8328 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8329 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8330 expressions interactively, as in traditional CASs.  Currently, two such
8331 windows into GiNaC have been implemented and many more are possible: the
8332 tiny @command{ginsh} that is part of the distribution exposes GiNaC's
8333 types to a command line and second, as a more consistent approach, an
8334 interactive interface to the Cint C++ interpreter has been put together
8335 (called GiNaC-cint) that allows an interactive scripting interface
8336 consistent with the C++ language.  It is available from the usual GiNaC
8337 FTP-site.
8338
8339 @item
8340 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8341 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8342 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8343 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8344 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8345 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8346 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8347 system (i.e. @emph{Yacas}).
8348
8349 @item
8350 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8351 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8352 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8353 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8354 speed with other CAS.
8355
8356 @end itemize
8357
8358
8359 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8360 @c    node-name, next, previous, up
8361 @section Disadvantages
8362
8363 Of course it also has some disadvantages:
8364
8365 @itemize @bullet
8366
8367 @item
8368 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8369 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8370 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8371 respect to mathematical features.  Integration, factorization,
8372 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8373 not planned for the near future).
8374
8375 @item
8376 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8377 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8378 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8379 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8380 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8381 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8382 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8383 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8384 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8385 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8386 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8387 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8388 literally.  Recent GCC versions starting at 2.95.3, although itself not
8389 yet ANSI compliant, support all needed features.
8390     
8391 @end itemize
8392
8393
8394 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8395 @c    node-name, next, previous, up
8396 @section Why C++?
8397
8398 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8399 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8400 possible), separation between interface and implementation is not
8401 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8402 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8403 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8404 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8405 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8406 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8407 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8408 any other programming language.
8409
8410
8411 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8412 @c    node-name, next, previous, up
8413 @appendix Internal structures
8414
8415 @menu
8416 * Expressions are reference counted::
8417 * Internal representation of products and sums::
8418 @end menu
8419
8420 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8421 @c    node-name, next, previous, up
8422 @appendixsection Expressions are reference counted
8423
8424 @cindex reference counting
8425 @cindex copy-on-write
8426 @cindex garbage collection
8427 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8428 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8429 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8430 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8431 skip the rest of this passage.
8432
8433 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8434 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8435 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8436 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8437 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8438 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8439 of code:
8440
8441 @example
8442 #include <iostream>
8443 #include <ginac/ginac.h>
8444 using namespace std;
8445 using namespace GiNaC;
8446
8447 int main()
8448 @{
8449     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8450     ex e1, e2;
8451
8452     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8453     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8454     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8455     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8456     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8457 @}
8458 @end example
8459
8460 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8461 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8462 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8463 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8464 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8465 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8466 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8467 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8468 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8469 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8470 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8471 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8472 can be:
8473
8474 @example
8475 @{
8476     symbol x("x"), y("y");
8477
8478     ex e1 = x + 3*y;
8479     ex e2 = pow(e1, 3);
8480     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8481     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8482          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8483          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8484 @}
8485 @end example
8486
8487 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8488 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8489 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8490 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8491 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8492 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8493 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8494 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8495 @code{3*e1^2}.
8496
8497 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8498 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8499 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8500 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8501 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8502 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8503 semantics, we recommend you have a look at the
8504 @uref{http://www.parashift.com/c++-faq-lite/, C++-FAQ lite} by
8505 Marshall Cline.  Chapter 16 covers this issue and presents an
8506 implementation which is pretty close to the one in GiNaC.
8507
8508
8509 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8510 @c    node-name, next, previous, up
8511 @appendixsection Internal representation of products and sums
8512
8513 @cindex representation
8514 @cindex @code{add}
8515 @cindex @code{mul}
8516 @cindex @code{power}
8517 Although it should be completely transparent for the user of
8518 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8519 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8520 unexpanded symbolic expression 
8521 @tex
8522 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8523 @end tex
8524 @ifnottex
8525 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8526 @end ifnottex
8527 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8528 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8529 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8530 fashion:
8531
8532 @image{repnaive}
8533
8534 @cindex pair-wise representation
8535 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8536 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8537 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8538 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8539 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8540 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8541 becomes much more flat:
8542
8543 @image{reppair}
8544
8545 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8546 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8547 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8548 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8549 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8550 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8551 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8552 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8553 representation, however, since they are still carrying a trivial
8554 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8555 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8556 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8557 representation for
8558 @tex
8559 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8560 @end tex
8561 @ifnottex
8562 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8563 @end ifnottex
8564
8565 @image{repreal}
8566
8567 @cindex radical
8568 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8569 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8570 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8571 same abstract class: the data representation is the same, only the
8572 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8573 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8574 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8575
8576
8577 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8578 @c    node-name, next, previous, up
8579 @appendix Package tools
8580
8581 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8582 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8583 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8584 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8585 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8586 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8587 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8588 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8589 @example
8590 g++ -o simple `pkg-config --cflags --libs ginac` simple.cpp
8591 @end example
8592
8593 This command line might expand to (for example):
8594 @example
8595 g++ -o simple -lginac -lcln simple.cpp
8596 @end example
8597
8598 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8599 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8600
8601 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8602 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8603 checking for libraries
8604
8605 @example
8606 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8607                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8608                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8609 @end example
8610
8611 This macro:
8612
8613 @itemize @bullet
8614
8615 @item
8616 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8617 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8618 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8619
8620 @item
8621 Tests the installed libraries to make sure that their version
8622 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8623
8624 @item
8625 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8626 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8627 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8628 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8629 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8630
8631 @item
8632 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8633
8634 @end itemize
8635
8636 @menu
8637 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8638 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8639 @end menu
8640
8641
8642 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8643 @c    node-name, next, previous, up
8644 @subsection Configuring a package that uses GiNaC
8645
8646 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8647 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8648 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8649 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8650 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8651
8652 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8653 system.
8654
8655 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8656 the linkers where to find the library one should
8657
8658 @itemize @bullet
8659 @item
8660 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8661 @example
8662 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8663 # ldconfig
8664 @end example
8665
8666 @item
8667 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8668 @example
8669 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8670 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8671 @end example
8672
8673 @item
8674 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8675 for instance:
8676
8677 @example
8678 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8679 @end example
8680 @end itemize
8681
8682 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8683 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8684 @example
8685 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8686 @end example
8687
8688 Finally, run the @command{configure} script
8689 @example
8690 $ ./configure 
8691 @end example
8692
8693 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8694
8695 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8696 @c    node-name, next, previous, up
8697 @subsection Example of a package using GiNaC
8698
8699 The following shows how to build a simple package using automake
8700 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8701
8702 @example
8703 #include <iostream>
8704 #include <ginac/ginac.h>
8705
8706 int main()
8707 @{
8708     GiNaC::symbol x("x");
8709     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8710     std::cout << "Derivative of " << a 
8711               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8712     return 0;
8713 @}
8714 @end example
8715
8716 You should first read the introductory portions of the automake
8717 Manual, if you are not already familiar with it.
8718
8719 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8720 configure script:
8721
8722 @example
8723 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8724 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8725 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8726 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8727
8728 AC_PROG_CXX
8729 AC_PROG_INSTALL
8730 AC_LANG([C++])
8731
8732 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8733
8734 AC_OUTPUT(Makefile)
8735 @end example
8736
8737 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8738 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8739 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8740 @example
8741 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8742
8743 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8744
8745 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8746 installed software in a non-standard prefix.
8747
8748 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8749 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8750 See the pkg-config man page for more details.
8751 @end example
8752
8753 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8754
8755 @example
8756 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8757 bin_PROGRAMS = simple
8758 simple_SOURCES = simple.cpp
8759 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8760 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8761 @end example
8762
8763 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8764 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8765 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8766 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8767 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8768 basis.
8769
8770 To try this example out, create a new directory and add the three
8771 files above to it.
8772
8773 Now execute the following command:
8774
8775 @example
8776 $ autoreconf -i
8777 @end example
8778
8779 You now have a package that can be built in the normal fashion
8780
8781 @example
8782 $ ./configure
8783 $ make
8784 $ make install
8785 @end example
8786
8787
8788 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
8789 @c    node-name, next, previous, up
8790 @appendix Bibliography
8791
8792 @itemize @minus{}
8793
8794 @item
8795 @cite{ISO/IEC 14882:1998: Programming Languages: C++}
8796
8797 @item
8798 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
8799
8800 @item
8801 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
8802
8803 @item
8804 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
8805
8806 @item
8807 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
8808 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
8809
8810 @item
8811 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
8812 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
8813 Academic Press, London
8814
8815 @item
8816 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
8817 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
8818
8819 @item
8820 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
8821 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
8822
8823 @item
8824 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
8825 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
8826
8827 @item
8828 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
8829
8830 @end itemize
8831
8832
8833 @node Concept index, , Bibliography, Top
8834 @c    node-name, next, previous, up
8835 @unnumbered Concept index
8836
8837 @printindex cp
8838
8839 @bye