]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - doc/tutorial/ginac.texi
52c5828e95a178e8d2de18d3e66d3fb3c7fb2adb
[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 @dircategory Mathematics
19 @direntry
20 * ginac: (ginac).                   C++ library for symbolic computation.
21 @end direntry
22
23 @ifinfo
24 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
25 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
26
27 Copyright (C) 1999-2024 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
28
29 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
30 this manual provided the copyright notice and this permission notice
31 are preserved on all copies.
32
33 @ignore
34 Permission is granted to process this file through TeX and print the
35 results, provided the printed document carries copying permission
36 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
37
38 @end ignore
39 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
40 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
41 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
42 notice identical to this one.
43 @end ifinfo
44
45 @finalout
46 @c finalout prevents ugly black rectangles on overfull hbox lines
47 @titlepage
48 @title GiNaC @value{VERSION}
49 @subtitle An open framework for symbolic computation within the C++ programming language
50 @subtitle @value{UPDATED}
51 @author @uref{https://www.ginac.de}
52
53 @page
54 @vskip 0pt plus 1filll
55 Copyright @copyright{} 1999-2024 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
56 @sp 2
57 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
58 this manual provided the copyright notice and this permission notice
59 are preserved on all copies.
60
61 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
62 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
63 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
64 notice identical to this one.
65 @end titlepage
66
67 @page
68 @contents
69
70 @page
71
72
73 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
74 @c    node-name, next, previous, up
75 @top GiNaC
76
77 This is a tutorial that documents GiNaC @value{VERSION}, an open
78 framework for symbolic computation within the C++ programming language.
79
80 @menu
81 * Introduction::                 GiNaC's purpose.
82 * A tour of GiNaC::              A quick tour of the library.
83 * Installation::                 How to install the package.
84 * Basic concepts::               Description of fundamental classes.
85 * Methods and functions::        Algorithms for symbolic manipulations.
86 * Extending GiNaC::              How to extend the library.
87 * A comparison with other CAS::  Compares GiNaC to traditional CAS.
88 * Internal structures::          Description of some internal structures.
89 * Package tools::                Configuring packages to work with GiNaC.
90 * Bibliography::
91 * Concept index::
92 @end menu
93
94
95 @node Introduction, A tour of GiNaC, Top, Top
96 @c    node-name, next, previous, up
97 @chapter Introduction
98 @cindex history of GiNaC
99
100 The motivation behind GiNaC derives from the observation that most
101 present day computer algebra systems (CAS) are linguistically and
102 semantically impoverished.  Although they are quite powerful tools for
103 learning math and solving particular problems they lack modern
104 linguistic structures that allow for the creation of large-scale
105 projects.  GiNaC is an attempt to overcome this situation by extending a
106 well established and standardized computer language (C++) by some
107 fundamental symbolic capabilities, thus allowing for integrated systems
108 that embed symbolic manipulations together with more established areas
109 of computer science (like computation-intense numeric applications,
110 graphical interfaces, etc.) under one roof.
111
112 The particular problem that led to the writing of the GiNaC framework is
113 still a very active field of research, namely the calculation of higher
114 order corrections to elementary particle interactions.  There,
115 theoretical physicists are interested in matching present day theories
116 against experiments taking place at particle accelerators.  The
117 computations involved are so complex they call for a combined symbolical
118 and numerical approach.  This turned out to be quite difficult to
119 accomplish with the present day CAS we have worked with so far and so we
120 tried to fill the gap by writing GiNaC.  But of course its applications
121 are in no way restricted to theoretical physics.
122
123 This tutorial is intended for the novice user who is new to GiNaC but
124 already has some background in C++ programming.  However, since a
125 hand-made documentation like this one is difficult to keep in sync with
126 the development, the actual documentation is inside the sources in the
127 form of comments.  That documentation may be parsed by one of the many
128 Javadoc-like documentation systems.  If you fail at generating it you
129 may access it from @uref{https://www.ginac.de/reference/, the GiNaC home
130 page}.  It is an invaluable resource not only for the advanced user who
131 wishes to extend the system (or chase bugs) but for everybody who wants
132 to comprehend the inner workings of GiNaC.  This little tutorial on the
133 other hand only covers the basic things that are unlikely to change in
134 the near future.
135
136 @section License
137 The GiNaC framework for symbolic computation within the C++ programming
138 language is Copyright @copyright{} 1999-2024 Johannes Gutenberg
139 University Mainz, Germany.
140
141 This program is free software; you can redistribute it and/or
142 modify it under the terms of the GNU General Public License as
143 published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
144 License, or (at your option) any later version.
145
146 This program is distributed in the hope that it will be useful, but
147 WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
148 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
149 General Public License for more details.
150
151 You should have received a copy of the GNU General Public License
152 along with this program; see the file COPYING.  If not, write to the
153 Free Software Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston,
154 MA 02110-1301, USA.
155
156
157 @node A tour of GiNaC, How to use it from within C++, Introduction, Top
158 @c    node-name, next, previous, up
159 @chapter A Tour of GiNaC
160
161 This quick tour of GiNaC wants to arise your interest in the
162 subsequent chapters by showing off a bit.  Please excuse us if it
163 leaves many open questions.
164
165 @menu
166 * How to use it from within C++::  Two simple examples.
167 * What it can do for you::         A Tour of GiNaC's features.
168 @end menu
169
170
171 @node How to use it from within C++, What it can do for you, A tour of GiNaC, A tour of GiNaC
172 @c    node-name, next, previous, up
173 @section How to use it from within C++
174
175 The GiNaC open framework for symbolic computation within the C++ programming
176 language does not try to define a language of its own as conventional
177 CAS do.  Instead, it extends the capabilities of C++ by symbolic
178 manipulations.  Here is how to generate and print a simple (and rather
179 pointless) bivariate polynomial with some large coefficients:
180
181 @example
182 #include <iostream>
183 #include <ginac/ginac.h>
184 using namespace std;
185 using namespace GiNaC;
186
187 int main()
188 @{
189     symbol x("x"), y("y");
190     ex poly;
191
192     for (int i=0; i<3; ++i)
193         poly += factorial(i+16)*pow(x,i)*pow(y,2-i);
194
195     cout << poly << endl;
196     return 0;
197 @}
198 @end example
199
200 Assuming the file is called @file{hello.cc}, on our system we can compile
201 and run it like this:
202
203 @example
204 $ c++ hello.cc -o hello -lginac -lcln
205 $ ./hello
206 355687428096000*x*y+20922789888000*y^2+6402373705728000*x^2
207 @end example
208
209 (@xref{Package tools}, for tools that help you when creating a software
210 package that uses GiNaC.)
211
212 @cindex Hermite polynomial
213 Next, there is a more meaningful C++ program that calls a function which
214 generates Hermite polynomials in a specified free variable.
215
216 @example
217 #include <iostream>
218 #include <ginac/ginac.h>
219 using namespace std;
220 using namespace GiNaC;
221
222 ex HermitePoly(const symbol & x, int n)
223 @{
224     ex HKer=exp(-pow(x, 2));
225     // uses the identity H_n(x) == (-1)^n exp(x^2) (d/dx)^n exp(-x^2)
226     return normal(pow(-1, n) * diff(HKer, x, n) / HKer);
227 @}
228
229 int main()
230 @{
231     symbol z("z");
232
233     for (int i=0; i<6; ++i)
234         cout << "H_" << i << "(z) == " << HermitePoly(z,i) << endl;
235
236     return 0;
237 @}
238 @end example
239
240 When run, this will type out
241
242 @example
243 H_0(z) == 1
244 H_1(z) == 2*z
245 H_2(z) == 4*z^2-2
246 H_3(z) == -12*z+8*z^3
247 H_4(z) == -48*z^2+16*z^4+12
248 H_5(z) == 120*z-160*z^3+32*z^5
249 @end example
250
251 This method of generating the coefficients is of course far from optimal
252 for production purposes.
253
254 In order to show some more examples of what GiNaC can do we will now use
255 the @command{ginsh}, a simple GiNaC interactive shell that provides a
256 convenient window into GiNaC's capabilities.
257
258
259 @node What it can do for you, Installation, How to use it from within C++, A tour of GiNaC
260 @c    node-name, next, previous, up
261 @section What it can do for you
262
263 @cindex @command{ginsh}
264 After invoking @command{ginsh} one can test and experiment with GiNaC's
265 features much like in other Computer Algebra Systems except that it does
266 not provide programming constructs like loops or conditionals.  For a
267 concise description of the @command{ginsh} syntax we refer to its
268 accompanied man page. Suffice to say that assignments and comparisons in
269 @command{ginsh} are written as they are in C, i.e. @code{=} assigns and
270 @code{==} compares.
271
272 It can manipulate arbitrary precision integers in a very fast way.
273 Rational numbers are automatically converted to fractions of coprime
274 integers:
275
276 @example
277 > x=3^150;
278 369988485035126972924700782451696644186473100389722973815184405301748249
279 > y=3^149;
280 123329495011708990974900260817232214728824366796574324605061468433916083
281 > x/y;
282 3
283 > y/x;
284 1/3
285 @end example
286
287 Exact numbers are always retained as exact numbers and only evaluated as
288 floating point numbers if requested.  For instance, with numeric
289 radicals is dealt pretty much as with symbols.  Products of sums of them
290 can be expanded:
291
292 @example
293 > expand((1+a^(1/5)-a^(2/5))^3);
294 1+3*a+3*a^(1/5)-5*a^(3/5)-a^(6/5)
295 > expand((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
296 10-5*3^(3/5)
297 > evalf((1+3^(1/5)-3^(2/5))^3);
298 0.33408977534118624228
299 @end example
300
301 The function @code{evalf} that was used above converts any number in
302 GiNaC's expressions into floating point numbers.  This can be done to
303 arbitrary predefined accuracy:
304
305 @example
306 > evalf(1/7);
307 0.14285714285714285714
308 > Digits=150;
309 150
310 > evalf(1/7);
311 0.1428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428571428
312 5714285714285714285714285714285714285
313 @end example
314
315 Exact numbers other than rationals that can be manipulated in GiNaC
316 include predefined constants like Archimedes' @code{Pi}.  They can both
317 be used in symbolic manipulations (as an exact number) as well as in
318 numeric expressions (as an inexact number):
319
320 @example
321 > a=Pi^2+x;
322 x+Pi^2
323 > evalf(a);
324 9.869604401089358619+x
325 > x=2;
326 2
327 > evalf(a);
328 11.869604401089358619
329 @end example
330
331 Built-in functions evaluate immediately to exact numbers if
332 this is possible.  Conversions that can be safely performed are done
333 immediately; conversions that are not generally valid are not done:
334
335 @example
336 > cos(42*Pi);
337 1
338 > cos(acos(x));
339 x
340 > acos(cos(x));
341 acos(cos(x))
342 @end example
343
344 (Note that converting the last input to @code{x} would allow one to
345 conclude that @code{42*Pi} is equal to @code{0}.)
346
347 Linear equation systems can be solved along with basic linear
348 algebra manipulations over symbolic expressions.  In C++ GiNaC offers
349 a matrix class for this purpose but we can see what it can do using
350 @command{ginsh}'s bracket notation to type them in:
351
352 @example
353 > lsolve(a+x*y==z,x);
354 y^(-1)*(z-a);
355 > lsolve(@{3*x+5*y == 7, -2*x+10*y == -5@}, @{x, y@});
356 @{x==19/8,y==-1/40@}
357 > M = [ [1, 3], [-3, 2] ];
358 [[1,3],[-3,2]]
359 > determinant(M);
360 11
361 > charpoly(M,lambda);
362 lambda^2-3*lambda+11
363 > A = [ [1, 1], [2, -1] ];
364 [[1,1],[2,-1]]
365 > A+2*M;
366 [[1,1],[2,-1]]+2*[[1,3],[-3,2]]
367 > evalm(%);
368 [[3,7],[-4,3]]
369 > B = [ [0, 0, a], [b, 1, -b], [-1/a, 0, 0] ];
370 > evalm(B^(2^12345));
371 [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
372 @end example
373
374 Multivariate polynomials and rational functions may be expanded,
375 collected, factorized, and normalized (i.e. converted to a ratio of
376 two coprime polynomials):
377
378 @example
379 > a = x^4 + 2*x^2*y^2 + 4*x^3*y + 12*x*y^3 - 3*y^4;
380 12*x*y^3+2*x^2*y^2+4*x^3*y-3*y^4+x^4
381 > b = x^2 + 4*x*y - y^2;
382 4*x*y-y^2+x^2
383 > expand(a*b);
384 8*x^5*y+17*x^4*y^2+43*x^2*y^4-24*x*y^5+16*x^3*y^3+3*y^6+x^6
385 > factor(%);
386 (4*x*y+x^2-y^2)^2*(x^2+3*y^2)
387 > collect(a+b,x);
388 4*x^3*y-y^2-3*y^4+(12*y^3+4*y)*x+x^4+x^2*(1+2*y^2)
389 > collect(a+b,y);
390 12*x*y^3-3*y^4+(-1+2*x^2)*y^2+(4*x+4*x^3)*y+x^2+x^4
391 > normal(a/b);
392 3*y^2+x^2
393 @end example
394
395 Here we have made use of the @command{ginsh}-command @code{%} to pop the
396 previously evaluated element from @command{ginsh}'s internal stack.
397
398 You can differentiate functions and expand them as Taylor or Laurent
399 series in a very natural syntax (the second argument of @code{series} is
400 a relation defining the evaluation point, the third specifies the
401 order):
402
403 @cindex Zeta function
404 @example
405 > diff(tan(x),x);
406 tan(x)^2+1
407 > series(sin(x),x==0,4);
408 x-1/6*x^3+Order(x^4)
409 > series(1/tan(x),x==0,4);
410 x^(-1)-1/3*x+Order(x^2)
411 > series(tgamma(x),x==0,3);
412 x^(-1)-Euler+(1/12*Pi^2+1/2*Euler^2)*x+
413 (-1/3*zeta(3)-1/12*Pi^2*Euler-1/6*Euler^3)*x^2+Order(x^3)
414 > evalf(%);
415 x^(-1)-0.5772156649015328606+(0.9890559953279725555)*x
416 -(0.90747907608088628905)*x^2+Order(x^3)
417 > series(tgamma(2*sin(x)-2),x==Pi/2,6);
418 -(x-1/2*Pi)^(-2)+(-1/12*Pi^2-1/2*Euler^2-1/240)*(x-1/2*Pi)^2
419 -Euler-1/12+Order((x-1/2*Pi)^3)
420 @end example
421
422 Often, functions don't have roots in closed form.  Nevertheless, it's
423 quite easy to compute a solution numerically, to arbitrary precision:
424
425 @cindex fsolve
426 @example
427 > Digits=50:
428 > fsolve(cos(x)==x,x,0,2);
429 0.7390851332151606416553120876738734040134117589007574649658
430 > f=exp(sin(x))-x:
431 > X=fsolve(f,x,-10,10);
432 2.2191071489137460325957851882042901681753665565320678854155
433 > subs(f,x==X);
434 -6.372367644529809108115521591070847222364418220770475144296E-58
435 @end example
436
437 Notice how the final result above differs slightly from zero by about
438 @math{6*10^(-58)}.  This is because with 50 decimal digits precision the
439 root cannot be represented more accurately than @code{X}.  Such
440 inaccuracies are to be expected when computing with finite floating
441 point values.
442
443 If you ever wanted to convert units in C or C++ and found this is
444 cumbersome, here is the solution.  Symbolic types can always be used as
445 tags for different types of objects.  Converting from wrong units to the
446 metric system is now easy:
447
448 @example
449 > in=.0254*m;
450 0.0254*m
451 > lb=.45359237*kg;
452 0.45359237*kg
453 > 200*lb/in^2;
454 140613.91592783185568*kg*m^(-2)
455 @end example
456
457
458 @node Installation, Prerequisites, What it can do for you, Top
459 @c    node-name, next, previous, up
460 @chapter Installation
461
462 @cindex CLN
463 GiNaC's installation follows the spirit of most GNU software. It is
464 easily installed on your system by three steps: configuration, build,
465 installation.
466
467 @menu
468 * Prerequisites::                Packages upon which GiNaC depends.
469 * Configuration::                How to configure GiNaC.
470 * Building GiNaC::               How to compile GiNaC.
471 * Installing GiNaC::             How to install GiNaC on your system.
472 @end menu
473
474
475 @node Prerequisites, Configuration, Installation, Installation
476 @c    node-name, next, previous, up
477 @section Prerequisites
478
479 In order to install GiNaC on your system, some prerequisites need to be
480 met.  First of all, you need to have a C++-compiler adhering to the
481 ISO standard @cite{ISO/IEC 14882:2011(E)}.  We used GCC for development
482 so if you have a different compiler you are on your own.  For the
483 configuration to succeed you need a Posix compliant shell installed in
484 @file{/bin/sh}, GNU @command{bash} is fine. The pkg-config utility is
485 required for the configuration, it can be downloaded from
486 @uref{http://pkg-config.freedesktop.org}.
487 Last but not least, the CLN library
488 is used extensively and needs to be installed on your system.
489 Please get it from @uref{https://www.ginac.de/CLN/} (it is licensed under
490 the GPL) and install it prior to trying to install GiNaC.  The configure
491 script checks if it can find it and if it cannot, it will refuse to
492 continue.
493
494
495 @node Configuration, Building GiNaC, Prerequisites, Installation
496 @c    node-name, next, previous, up
497 @section Configuration
498 @cindex configuration
499 @cindex Autoconf
500
501 To configure GiNaC means to prepare the source distribution for
502 building.  It is done via a shell script called @command{configure} that
503 is shipped with the sources and was originally generated by GNU
504 Autoconf.  Since a configure script generated by GNU Autoconf never
505 prompts, all customization must be done either via command line
506 parameters or environment variables.  It accepts a list of parameters,
507 the complete set of which can be listed by calling it with the
508 @option{--help} option.  The most important ones will be shortly
509 described in what follows:
510
511 @itemize @bullet
512
513 @item
514 @option{--disable-shared}: When given, this option switches off the
515 build of a shared library, i.e. a @file{.so} file.  This may be convenient
516 when developing because it considerably speeds up compilation.
517
518 @item
519 @option{--prefix=@var{PREFIX}}: The directory where the compiled library
520 and headers are installed. It defaults to @file{/usr/local} which means
521 that the library is installed in the directory @file{/usr/local/lib},
522 the header files in @file{/usr/local/include/ginac} and the documentation
523 (like this one) into @file{/usr/local/share/doc/GiNaC}.
524
525 @item
526 @option{--libdir=@var{LIBDIR}}: Use this option in case you want to have
527 the library installed in some other directory than
528 @file{@var{PREFIX}/lib/}.
529
530 @item
531 @option{--includedir=@var{INCLUDEDIR}}: Use this option in case you want
532 to have the header files installed in some other directory than
533 @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}. For instance, if you specify
534 @option{--includedir=/usr/include} you will end up with the header files
535 sitting in the directory @file{/usr/include/ginac/}. Note that the
536 subdirectory @file{ginac} is enforced by this process in order to
537 keep the header files separated from others.  This avoids some
538 clashes and allows for an easier deinstallation of GiNaC. This ought
539 to be considered A Good Thing (tm).
540
541 @item
542 @option{--datadir=@var{DATADIR}}: This option may be given in case you
543 want to have the documentation installed in some other directory than
544 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/}.
545
546 @end itemize
547
548 In addition, you may specify some environment variables.  @env{CXX}
549 holds the path and the name of the C++ compiler in case you want to
550 override the default in your path.  (The @command{configure} script
551 searches your path for @command{c++}, @command{g++}, @command{gcc},
552 @command{CC}, @command{cxx} and @command{cc++} in that order.)  It may
553 be very useful to define some compiler flags with the @env{CXXFLAGS}
554 environment variable, like optimization, debugging information and
555 warning levels.  If omitted, it defaults to @option{-g
556 -O2}.@footnote{The @command{configure} script is itself generated from
557 the file @file{configure.ac}.  It is only distributed in packaged
558 releases of GiNaC.  If you got the naked sources, e.g. from git, you
559 must generate @command{configure} along with the various
560 @file{Makefile.in} by using the @command{autoreconf} utility.  This will
561 require a fair amount of support from your local toolchain, though.}
562
563 The whole process is illustrated in the following two
564 examples. (Substitute @command{setenv @var{VARIABLE} @var{value}} for
565 @command{export @var{VARIABLE}=@var{value}} if the Berkeley C shell is
566 your login shell.)
567
568 Here is a simple configuration for a site-wide GiNaC library assuming
569 everything is in default paths:
570
571 @example
572 $ export CXXFLAGS="-Wall -O2"
573 $ ./configure
574 @end example
575
576 And here is a configuration for a private static GiNaC library with
577 several components sitting in custom places (site-wide GCC and private
578 CLN).  The compiler is persuaded to be picky and full assertions and
579 debugging information are switched on:
580
581 @example
582 $ export CXX=/usr/local/gnu/bin/c++
583 $ export CPPFLAGS="$(CPPFLAGS) -I$(HOME)/include"
584 $ export CXXFLAGS="$(CXXFLAGS) -DDO_GINAC_ASSERT -ggdb -Wall -pedantic"
585 $ export LDFLAGS="$(LDFLAGS) -L$(HOME)/lib"
586 $ ./configure --disable-shared --prefix=$(HOME)
587 @end example
588
589
590 @node Building GiNaC, Installing GiNaC, Configuration, Installation
591 @c    node-name, next, previous, up
592 @section Building GiNaC
593 @cindex building GiNaC
594
595 After proper configuration you should just build the whole
596 library by typing
597 @example
598 $ make
599 @end example
600 at the command prompt and go for a cup of coffee.  The exact time it
601 takes to compile GiNaC depends not only on the speed of your machines
602 but also on other parameters, for instance what value for @env{CXXFLAGS}
603 you entered.  Optimization may be very time-consuming.
604
605 Just to make sure GiNaC works properly you may run a collection of
606 regression tests by typing
607
608 @example
609 $ make check
610 @end example
611
612 This will compile some sample programs, run them and check the output
613 for correctness.  The regression tests fall in three categories.  First,
614 the so called @emph{exams} are performed, simple tests where some
615 predefined input is evaluated (like a pupils' exam).  Second, the
616 @emph{checks} test the coherence of results among each other with
617 possible random input.  Third, some @emph{timings} are performed, which
618 benchmark some predefined problems with different sizes and display the
619 CPU time used in seconds.  Each individual test should return a message
620 @samp{passed}.  This is mostly intended to be a QA-check if something
621 was broken during development, not a sanity check of your system.  Some
622 of the tests in sections @emph{checks} and @emph{timings} may require
623 insane amounts of memory and CPU time.  Feel free to kill them if your
624 machine catches fire.  Another quite important intent is to allow people
625 to fiddle around with optimization.
626
627 By default, the only documentation that will be built is this tutorial
628 in @file{.info} format. To build the GiNaC tutorial and reference manual
629 in HTML, DVI, PostScript, or PDF formats, use one of
630
631 @example
632 $ make html
633 $ make dvi
634 $ make ps
635 $ make pdf
636 @end example
637
638 Generally, the top-level Makefile runs recursively to the
639 subdirectories.  It is therefore safe to go into any subdirectory
640 (@code{doc/}, @code{ginsh/}, @dots{}) and simply type @code{make}
641 @var{target} there in case something went wrong.
642
643
644 @node Installing GiNaC, Basic concepts, Building GiNaC, Installation
645 @c    node-name, next, previous, up
646 @section Installing GiNaC
647 @cindex installation
648
649 To install GiNaC on your system, simply type
650
651 @example
652 $ make install
653 @end example
654
655 As described in the section about configuration the files will be
656 installed in the following directories (the directories will be created
657 if they don't already exist):
658
659 @itemize @bullet
660
661 @item
662 @file{libginac.a} will go into @file{@var{PREFIX}/lib/} (or
663 @file{@var{LIBDIR}}) which defaults to @file{/usr/local/lib/}.
664 So will @file{libginac.so} unless the configure script was
665 given the option @option{--disable-shared}.  The proper symlinks
666 will be established as well.
667
668 @item
669 All the header files will be installed into @file{@var{PREFIX}/include/ginac/}
670 (or @file{@var{INCLUDEDIR}/ginac/}, if specified).
671
672 @item
673 All documentation (info) will be stuffed into
674 @file{@var{PREFIX}/share/doc/GiNaC/} (or
675 @file{@var{DATADIR}/doc/GiNaC/}, if @var{DATADIR} was specified).
676
677 @end itemize
678
679 For the sake of completeness we will list some other useful make
680 targets: @command{make clean} deletes all files generated by
681 @command{make}, i.e. all the object files.  In addition @command{make
682 distclean} removes all files generated by the configuration and
683 @command{make maintainer-clean} goes one step further and deletes files
684 that may require special tools to rebuild (like the @command{libtool}
685 for instance).  Finally @command{make uninstall} removes the installed
686 library, header files and documentation@footnote{Uninstallation does not
687 work after you have called @command{make distclean} since the
688 @file{Makefile} is itself generated by the configuration from
689 @file{Makefile.in} and hence deleted by @command{make distclean}.  There
690 are two obvious ways out of this dilemma.  First, you can run the
691 configuration again with the same @var{PREFIX} thus creating a
692 @file{Makefile} with a working @samp{uninstall} target.  Second, you can
693 do it by hand since you now know where all the files went during
694 installation.}.
695
696
697 @node Basic concepts, Expressions, Installing GiNaC, Top
698 @c    node-name, next, previous, up
699 @chapter Basic concepts
700
701 This chapter will describe the different fundamental objects that can be
702 handled by GiNaC.  But before doing so, it is worthwhile introducing you
703 to the more commonly used class of expressions, representing a flexible
704 meta-class for storing all mathematical objects.
705
706 @menu
707 * Expressions::                  The fundamental GiNaC class.
708 * Automatic evaluation::         Evaluation and canonicalization.
709 * Error handling::               How the library reports errors.
710 * The class hierarchy::          Overview of GiNaC's classes.
711 * Symbols::                      Symbolic objects.
712 * Numbers::                      Numerical objects.
713 * Constants::                    Pre-defined constants.
714 * Fundamental containers::       Sums, products and powers.
715 * Lists::                        Lists of expressions.
716 * Mathematical functions::       Mathematical functions.
717 * Relations::                    Equality, Inequality and all that.
718 * Integrals::                    Symbolic integrals.
719 * Matrices::                     Matrices.
720 * Indexed objects::              Handling indexed quantities.
721 * Non-commutative objects::      Algebras with non-commutative products.
722 @end menu
723
724
725 @node Expressions, Automatic evaluation, Basic concepts, Basic concepts
726 @c    node-name, next, previous, up
727 @section Expressions
728 @cindex expression (class @code{ex})
729 @cindex @code{has()}
730
731 The most common class of objects a user deals with is the expression
732 @code{ex}, representing a mathematical object like a variable, number,
733 function, sum, product, etc@dots{}  Expressions may be put together to form
734 new expressions, passed as arguments to functions, and so on.  Here is a
735 little collection of valid expressions:
736
737 @example
738 ex MyEx1 = 5;                       // simple number
739 ex MyEx2 = x + 2*y;                 // polynomial in x and y
740 ex MyEx3 = (x + 1)/(x - 1);         // rational expression
741 ex MyEx4 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41; // containing a function
742 ex MyEx5 = MyEx4 + 1;               // similar to above
743 @end example
744
745 Expressions are handles to other more fundamental objects, that often
746 contain other expressions thus creating a tree of expressions
747 (@xref{Internal structures}, for particular examples).  Most methods on
748 @code{ex} therefore run top-down through such an expression tree.  For
749 example, the method @code{has()} scans recursively for occurrences of
750 something inside an expression.  Thus, if you have declared @code{MyEx4}
751 as in the example above @code{MyEx4.has(y)} will find @code{y} inside
752 the argument of @code{sin} and hence return @code{true}.
753
754 The next sections will outline the general picture of GiNaC's class
755 hierarchy and describe the classes of objects that are handled by
756 @code{ex}.
757
758 @subsection Note: Expressions and STL containers
759
760 GiNaC expressions (@code{ex} objects) have value semantics (they can be
761 assigned, reassigned and copied like integral types) but the operator
762 @code{<} doesn't provide a well-defined ordering on them. In STL-speak,
763 expressions are @samp{Assignable} but not @samp{LessThanComparable}.
764
765 This implies that in order to use expressions in sorted containers such as
766 @code{std::map<>} and @code{std::set<>} you have to supply a suitable
767 comparison predicate. GiNaC provides such a predicate, called
768 @code{ex_is_less}. For example, a set of expressions should be defined
769 as @code{std::set<ex, ex_is_less>}.
770
771 Unsorted containers such as @code{std::vector<>} and @code{std::list<>}
772 don't pose a problem. A @code{std::vector<ex>} works as expected.
773
774 @xref{Information about expressions}, for more about comparing and ordering
775 expressions.
776
777
778 @node Automatic evaluation, Error handling, Expressions, Basic concepts
779 @c    node-name, next, previous, up
780 @section Automatic evaluation and canonicalization of expressions
781 @cindex evaluation
782
783 GiNaC performs some automatic transformations on expressions, to simplify
784 them and put them into a canonical form. Some examples:
785
786 @example
787 ex MyEx1 = 2*x - 1 + x;  // 3*x-1
788 ex MyEx2 = x - x;        // 0
789 ex MyEx3 = cos(2*Pi);    // 1
790 ex MyEx4 = x*y/x;        // y
791 @end example
792
793 This behavior is usually referred to as @dfn{automatic} or @dfn{anonymous
794 evaluation}. GiNaC only performs transformations that are
795
796 @itemize @bullet
797 @item
798 at most of complexity
799 @tex
800 $O(n\log n)$
801 @end tex
802 @ifnottex
803 @math{O(n log n)}
804 @end ifnottex
805 @item
806 algebraically correct, possibly except for a set of measure zero (e.g.
807 @math{x/x} is transformed to @math{1} although this is incorrect for @math{x=0})
808 @end itemize
809
810 There are two types of automatic transformations in GiNaC that may not
811 behave in an entirely obvious way at first glance:
812
813 @itemize
814 @item
815 The terms of sums and products (and some other things like the arguments of
816 symmetric functions, the indices of symmetric tensors etc.) are re-ordered
817 into a canonical form that is deterministic, but not lexicographical or in
818 any other way easy to guess (it almost always depends on the number and
819 order of the symbols you define). However, constructing the same expression
820 twice, either implicitly or explicitly, will always result in the same
821 canonical form.
822 @item
823 Expressions of the form 'number times sum' are automatically expanded (this
824 has to do with GiNaC's internal representation of sums and products). For
825 example
826 @example
827 ex MyEx5 = 2*(x + y);   // 2*x+2*y
828 ex MyEx6 = z*(x + y);   // z*(x+y)
829 @end example
830 @end itemize
831
832 The general rule is that when you construct expressions, GiNaC automatically
833 creates them in canonical form, which might differ from the form you typed in
834 your program. This may create some awkward looking output (@samp{-y+x} instead
835 of @samp{x-y}) but allows for more efficient operation and usually yields
836 some immediate simplifications.
837
838 @cindex @code{eval()}
839 Internally, the anonymous evaluator in GiNaC is implemented by the methods
840
841 @example
842 ex ex::eval() const;
843 ex basic::eval() const;
844 @end example
845
846 but unless you are extending GiNaC with your own classes or functions, there
847 should never be any reason to call them explicitly. All GiNaC methods that
848 transform expressions, like @code{subs()} or @code{normal()}, automatically
849 re-evaluate their results.
850
851
852 @node Error handling, The class hierarchy, Automatic evaluation, Basic concepts
853 @c    node-name, next, previous, up
854 @section Error handling
855 @cindex exceptions
856 @cindex @code{pole_error} (class)
857
858 GiNaC reports run-time errors by throwing C++ exceptions. All exceptions
859 generated by GiNaC are subclassed from the standard @code{exception} class
860 defined in the @file{<stdexcept>} header. In addition to the predefined
861 @code{logic_error}, @code{domain_error}, @code{out_of_range},
862 @code{invalid_argument}, @code{runtime_error}, @code{range_error} and
863 @code{overflow_error} types, GiNaC also defines a @code{pole_error}
864 exception that gets thrown when trying to evaluate a mathematical function
865 at a singularity.
866
867 The @code{pole_error} class has a member function
868
869 @example
870 int pole_error::degree() const;
871 @end example
872
873 that returns the order of the singularity (or 0 when the pole is
874 logarithmic or the order is undefined).
875
876 When using GiNaC it is useful to arrange for exceptions to be caught in
877 the main program even if you don't want to do any special error handling.
878 Otherwise whenever an error occurs in GiNaC, it will be delegated to the
879 default exception handler of your C++ compiler's run-time system which
880 usually only aborts the program without giving any information what went
881 wrong.
882
883 Here is an example for a @code{main()} function that catches and prints
884 exceptions generated by GiNaC:
885
886 @example
887 #include <iostream>
888 #include <stdexcept>
889 #include <ginac/ginac.h>
890 using namespace std;
891 using namespace GiNaC;
892
893 int main()
894 @{
895     try @{
896         ...
897         // code using GiNaC
898         ...
899     @} catch (exception &p) @{
900         cerr << p.what() << endl;
901         return 1;
902     @}
903     return 0;
904 @}
905 @end example
906
907
908 @node The class hierarchy, Symbols, Error handling, Basic concepts
909 @c    node-name, next, previous, up
910 @section The class hierarchy
911
912 GiNaC's class hierarchy consists of several classes representing
913 mathematical objects, all of which (except for @code{ex} and some
914 helpers) are internally derived from one abstract base class called
915 @code{basic}.  You do not have to deal with objects of class
916 @code{basic}, instead you'll be dealing with symbols, numbers,
917 containers of expressions and so on.
918
919 @cindex container
920 @cindex atom
921 To get an idea about what kinds of symbolic composites may be built we
922 have a look at the most important classes in the class hierarchy and
923 some of the relations among the classes:
924
925 @ifnotinfo
926 @image{classhierarchy}
927 @end ifnotinfo
928 @ifinfo
929 <PICTURE MISSING>
930 @end ifinfo
931
932 The abstract classes shown here (the ones without drop-shadow) are of no
933 interest for the user.  They are used internally in order to avoid code
934 duplication if two or more classes derived from them share certain
935 features.  An example is @code{expairseq}, a container for a sequence of
936 pairs each consisting of one expression and a number (@code{numeric}).
937 What @emph{is} visible to the user are the derived classes @code{add}
938 and @code{mul}, representing sums and products.  @xref{Internal
939 structures}, where these two classes are described in more detail.  The
940 following table shortly summarizes what kinds of mathematical objects
941 are stored in the different classes:
942
943 @cartouche
944 @multitable @columnfractions .22 .78
945 @item @code{symbol} @tab Algebraic symbols @math{a}, @math{x}, @math{y}@dots{}
946 @item @code{constant} @tab Constants like 
947 @tex
948 $\pi$
949 @end tex
950 @ifnottex
951 @math{Pi}
952 @end ifnottex
953 @item @code{numeric} @tab All kinds of numbers, @math{42}, @math{7/3*I}, @math{3.14159}@dots{}
954 @item @code{add} @tab Sums like @math{x+y} or @math{a-(2*b)+3}
955 @item @code{mul} @tab Products like @math{x*y} or @math{2*a^2*(x+y+z)/b}
956 @item @code{ncmul} @tab Products of non-commutative objects
957 @item @code{power} @tab Exponentials such as @math{x^2}, @math{a^b}, 
958 @tex
959 $\sqrt{2}$
960 @end tex
961 @ifnottex
962 @code{sqrt(}@math{2}@code{)}
963 @end ifnottex
964 @dots{}
965 @item @code{pseries} @tab Power Series, e.g. @math{x-1/6*x^3+1/120*x^5+O(x^7)}
966 @item @code{function} @tab A symbolic function like
967 @tex
968 $\sin 2x$
969 @end tex
970 @ifnottex
971 @math{sin(2*x)}
972 @end ifnottex
973 @item @code{lst} @tab Lists of expressions @{@math{x}, @math{2*y}, @math{3+z}@}
974 @item @code{matrix} @tab @math{m}x@math{n} matrices of expressions
975 @item @code{relational} @tab A relation like the identity @math{x}@code{==}@math{y}
976 @item @code{indexed} @tab Indexed object like @math{A_ij}
977 @item @code{tensor} @tab Special tensor like the delta and metric tensors
978 @item @code{idx} @tab Index of an indexed object
979 @item @code{varidx} @tab Index with variance
980 @item @code{spinidx} @tab Index with variance and dot (used in Weyl-van-der-Waerden spinor formalism)
981 @item @code{wildcard} @tab Wildcard for pattern matching
982 @item @code{structure} @tab Template for user-defined classes
983 @end multitable
984 @end cartouche
985
986
987 @node Symbols, Numbers, The class hierarchy, Basic concepts
988 @c    node-name, next, previous, up
989 @section Symbols
990 @cindex @code{symbol} (class)
991 @cindex hierarchy of classes
992
993 @cindex atom
994 Symbolic indeterminates, or @dfn{symbols} for short, are for symbolic
995 manipulation what atoms are for chemistry.
996
997 A typical symbol definition looks like this:
998 @example
999 symbol x("x");
1000 @end example
1001
1002 This definition actually contains three very different things:
1003 @itemize
1004 @item a C++ variable named @code{x}
1005 @item a @code{symbol} object stored in this C++ variable; this object
1006   represents the symbol in a GiNaC expression
1007 @item the string @code{"x"} which is the name of the symbol, used (almost)
1008   exclusively for printing expressions holding the symbol
1009 @end itemize
1010
1011 Symbols have an explicit name, supplied as a string during construction,
1012 because in C++, variable names can't be used as values, and the C++ compiler
1013 throws them away during compilation.
1014
1015 It is possible to omit the symbol name in the definition:
1016 @example
1017 symbol x;
1018 @end example
1019
1020 In this case, GiNaC will assign the symbol an internal, unique name of the
1021 form @code{symbolNNN}. This won't affect the usability of the symbol but
1022 the output of your calculations will become more readable if you give your
1023 symbols sensible names (for intermediate expressions that are only used
1024 internally such anonymous symbols can be quite useful, however).
1025
1026 Now, here is one important property of GiNaC that differentiates it from
1027 other computer algebra programs you may have used: GiNaC does @emph{not} use
1028 the names of symbols to tell them apart, but a (hidden) serial number that
1029 is unique for each newly created @code{symbol} object. If you want to use
1030 one and the same symbol in different places in your program, you must only
1031 create one @code{symbol} object and pass that around. If you create another
1032 symbol, even if it has the same name, GiNaC will treat it as a different
1033 indeterminate.
1034
1035 Observe:
1036 @example
1037 ex f(int n)
1038 @{
1039     symbol x("x");
1040     return pow(x, n);
1041 @}
1042
1043 int main()
1044 @{
1045     symbol x("x");
1046     ex e = f(6);
1047
1048     cout << e << endl;
1049      // prints "x^6" which looks right, but...
1050
1051     cout << e.degree(x) << endl;
1052      // ...this doesn't work. The symbol "x" here is different from the one
1053      // in f() and in the expression returned by f(). Consequently, it
1054      // prints "0".
1055 @}
1056 @end example
1057
1058 One possibility to ensure that @code{f()} and @code{main()} use the same
1059 symbol is to pass the symbol as an argument to @code{f()}:
1060 @example
1061 ex f(int n, const ex & x)
1062 @{
1063     return pow(x, n);
1064 @}
1065
1066 int main()
1067 @{
1068     symbol x("x");
1069
1070     // Now, f() uses the same symbol.
1071     ex e = f(6, x);
1072
1073     cout << e.degree(x) << endl;
1074      // prints "6", as expected
1075 @}
1076 @end example
1077
1078 Another possibility would be to define a global symbol @code{x} that is used
1079 by both @code{f()} and @code{main()}. If you are using global symbols and
1080 multiple compilation units you must take special care, however. Suppose
1081 that you have a header file @file{globals.h} in your program that defines
1082 a @code{symbol x("x");}. In this case, every unit that includes
1083 @file{globals.h} would also get its own definition of @code{x} (because
1084 header files are just inlined into the source code by the C++ preprocessor),
1085 and hence you would again end up with multiple equally-named, but different,
1086 symbols. Instead, the @file{globals.h} header should only contain a
1087 @emph{declaration} like @code{extern symbol x;}, with the definition of
1088 @code{x} moved into a C++ source file such as @file{globals.cpp}.
1089
1090 A different approach to ensuring that symbols used in different parts of
1091 your program are identical is to create them with a @emph{factory} function
1092 like this one:
1093 @example
1094 const symbol & get_symbol(const string & s)
1095 @{
1096     static map<string, symbol> directory;
1097     map<string, symbol>::iterator i = directory.find(s);
1098     if (i != directory.end())
1099         return i->second;
1100     else
1101         return directory.insert(make_pair(s, symbol(s))).first->second;
1102 @}
1103 @end example
1104
1105 This function returns one newly constructed symbol for each name that is
1106 passed in, and it returns the same symbol when called multiple times with
1107 the same name. Using this symbol factory, we can rewrite our example like
1108 this:
1109 @example
1110 ex f(int n)
1111 @{
1112     return pow(get_symbol("x"), n);
1113 @}
1114
1115 int main()
1116 @{
1117     ex e = f(6);
1118
1119     // Both calls of get_symbol("x") yield the same symbol.
1120     cout << e.degree(get_symbol("x")) << endl;
1121      // prints "6"
1122 @}
1123 @end example
1124
1125 Instead of creating symbols from strings we could also have
1126 @code{get_symbol()} take, for example, an integer number as its argument.
1127 In this case, we would probably want to give the generated symbols names
1128 that include this number, which can be accomplished with the help of an
1129 @code{ostringstream}.
1130
1131 In general, if you're getting weird results from GiNaC such as an expression
1132 @samp{x-x} that is not simplified to zero, you should check your symbol
1133 definitions.
1134
1135 As we said, the names of symbols primarily serve for purposes of expression
1136 output. But there are actually two instances where GiNaC uses the names for
1137 identifying symbols: When constructing an expression from a string, and when
1138 recreating an expression from an archive (@pxref{Input/output}).
1139
1140 In addition to its name, a symbol may contain a special string that is used
1141 in LaTeX output:
1142 @example
1143 symbol x("x", "\\Box");
1144 @end example
1145
1146 This creates a symbol that is printed as "@code{x}" in normal output, but
1147 as "@code{\Box}" in LaTeX code (@xref{Input/output}, for more
1148 information about the different output formats of expressions in GiNaC).
1149 GiNaC automatically creates proper LaTeX code for symbols having names of
1150 greek letters (@samp{alpha}, @samp{mu}, etc.). You can retrieve the name
1151 and the LaTeX name of a symbol using the respective methods:
1152 @cindex @code{get_name()}
1153 @cindex @code{get_TeX_name()}
1154 @example
1155 symbol::get_name() const;
1156 symbol::get_TeX_name() const;
1157 @end example
1158
1159 @cindex @code{subs()}
1160 Symbols in GiNaC can't be assigned values. If you need to store results of
1161 calculations and give them a name, use C++ variables of type @code{ex}.
1162 If you want to replace a symbol in an expression with something else, you
1163 can invoke the expression's @code{.subs()} method
1164 (@pxref{Substituting expressions}).
1165
1166 @cindex @code{realsymbol()}
1167 By default, symbols are expected to stand in for complex values, i.e. they live
1168 in the complex domain.  As a consequence, operations like complex conjugation,
1169 for example (@pxref{Complex expressions}), do @emph{not} evaluate if applied
1170 to such symbols. Likewise @code{log(exp(x))} does not evaluate to @code{x},
1171 because of the unknown imaginary part of @code{x}.
1172 On the other hand, if you are sure that your symbols will hold only real
1173 values, you would like to have such functions evaluated. Therefore GiNaC
1174 allows you to specify
1175 the domain of the symbol. Instead of @code{symbol x("x");} you can write
1176 @code{realsymbol x("x");} to tell GiNaC that @code{x} stands in for real values.
1177
1178 @cindex @code{possymbol()}
1179 Furthermore, it is also possible to declare a symbol as positive. This will,
1180 for instance, enable the automatic simplification of @code{abs(x)} into 
1181 @code{x}. This is done by declaring the symbol as @code{possymbol x("x");}.
1182
1183
1184 @node Numbers, Constants, Symbols, Basic concepts
1185 @c    node-name, next, previous, up
1186 @section Numbers
1187 @cindex @code{numeric} (class)
1188
1189 @cindex GMP
1190 @cindex CLN
1191 @cindex rational
1192 @cindex fraction
1193 For storing numerical things, GiNaC uses Bruno Haible's library CLN.
1194 The classes therein serve as foundation classes for GiNaC.  CLN stands
1195 for Class Library for Numbers or alternatively for Common Lisp Numbers.
1196 In order to find out more about CLN's internals, the reader is referred to
1197 the documentation of that library.  @xref{Top,,, cln, The CLN Manual}, for
1198 more information. Suffice to say that it is by itself build on top of
1199 another library, the GNU Multiple Precision library GMP, which is an
1200 extremely fast library for arbitrary long integers and rationals as well
1201 as arbitrary precision floating point numbers.  It is very commonly used
1202 by several popular cryptographic applications.  CLN extends GMP by
1203 several useful things: First, it introduces the complex number field
1204 over either reals (i.e. floating point numbers with arbitrary precision)
1205 or rationals.  Second, it automatically converts rationals to integers
1206 if the denominator is unity and complex numbers to real numbers if the
1207 imaginary part vanishes and also correctly treats algebraic functions.
1208 Third it provides good implementations of state-of-the-art algorithms
1209 for all trigonometric and hyperbolic functions as well as for
1210 calculation of some useful constants.
1211
1212 The user can construct an object of class @code{numeric} in several
1213 ways.  The following example shows the four most important constructors.
1214 It uses construction from C-integer, construction of fractions from two
1215 integers, construction from C-float and construction from a string:
1216
1217 @example
1218 #include <iostream>
1219 #include <ginac/ginac.h>
1220 using namespace GiNaC;
1221
1222 int main()
1223 @{
1224     numeric two = 2;                      // exact integer 2
1225     numeric r(2,3);                       // exact fraction 2/3
1226     numeric e(2.71828);                   // floating point number
1227     numeric p = "3.14159265358979323846"; // constructor from string
1228     // Trott's constant in scientific notation:
1229     numeric trott("1.0841015122311136151E-2");
1230     
1231     std::cout << two*p << std::endl;  // floating point 6.283...
1232     ...
1233 @end example
1234
1235 @cindex @code{I}
1236 @cindex complex numbers
1237 The imaginary unit in GiNaC is a predefined @code{numeric} object with the
1238 name @code{I}:
1239
1240 @example
1241     ...
1242     numeric z1 = 2-3*I;                    // exact complex number 2-3i
1243     numeric z2 = 5.9+1.6*I;                // complex floating point number
1244 @}
1245 @end example
1246
1247 It may be tempting to construct fractions by writing @code{numeric r(3/2)}.
1248 This would, however, call C's built-in operator @code{/} for integers
1249 first and result in a numeric holding a plain integer 1.  @strong{Never
1250 use the operator @code{/} on integers} unless you know exactly what you
1251 are doing!  Use the constructor from two integers instead, as shown in
1252 the example above.  Writing @code{numeric(1)/2} may look funny but works
1253 also.
1254
1255 @cindex @code{Digits}
1256 @cindex accuracy
1257 We have seen now the distinction between exact numbers and floating
1258 point numbers.  Clearly, the user should never have to worry about
1259 dynamically created exact numbers, since their `exactness' always
1260 determines how they ought to be handled, i.e. how `long' they are.  The
1261 situation is different for floating point numbers.  Their accuracy is
1262 controlled by one @emph{global} variable, called @code{Digits}.  (For
1263 those readers who know about Maple: it behaves very much like Maple's
1264 @code{Digits}).  All objects of class numeric that are constructed from
1265 then on will be stored with a precision matching that number of decimal
1266 digits:
1267
1268 @example
1269 #include <iostream>
1270 #include <ginac/ginac.h>
1271 using namespace std;
1272 using namespace GiNaC;
1273
1274 void foo()
1275 @{
1276     numeric three(3.0), one(1.0);
1277     numeric x = one/three;
1278
1279     cout << "in " << Digits << " digits:" << endl;
1280     cout << x << endl;
1281     cout << Pi.evalf() << endl;
1282 @}
1283
1284 int main()
1285 @{
1286     foo();
1287     Digits = 60;
1288     foo();
1289     return 0;
1290 @}
1291 @end example
1292
1293 The above example prints the following output to screen:
1294
1295 @example
1296 in 17 digits:
1297 0.33333333333333333334
1298 3.1415926535897932385
1299 in 60 digits:
1300 0.33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333334
1301 3.1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445923078
1302 @end example
1303
1304 @cindex rounding
1305 Note that the last number is not necessarily rounded as you would
1306 naively expect it to be rounded in the decimal system.  But note also,
1307 that in both cases you got a couple of extra digits.  This is because
1308 numbers are internally stored by CLN as chunks of binary digits in order
1309 to match your machine's word size and to not waste precision.  Thus, on
1310 architectures with different word size, the above output might even
1311 differ with regard to actually computed digits.
1312
1313 It should be clear that objects of class @code{numeric} should be used
1314 for constructing numbers or for doing arithmetic with them.  The objects
1315 one deals with most of the time are the polymorphic expressions @code{ex}.
1316
1317 @subsection Tests on numbers
1318
1319 Once you have declared some numbers, assigned them to expressions and
1320 done some arithmetic with them it is frequently desired to retrieve some
1321 kind of information from them like asking whether that number is
1322 integer, rational, real or complex.  For those cases GiNaC provides
1323 several useful methods.  (Internally, they fall back to invocations of
1324 certain CLN functions.)
1325
1326 As an example, let's construct some rational number, multiply it with
1327 some multiple of its denominator and test what comes out:
1328
1329 @example
1330 #include <iostream>
1331 #include <ginac/ginac.h>
1332 using namespace std;
1333 using namespace GiNaC;
1334
1335 // some very important constants:
1336 const numeric twentyone(21);
1337 const numeric ten(10);
1338 const numeric five(5);
1339
1340 int main()
1341 @{
1342     numeric answer = twentyone;
1343
1344     answer /= five;
1345     cout << answer.is_integer() << endl;  // false, it's 21/5
1346     answer *= ten;
1347     cout << answer.is_integer() << endl;  // true, it's 42 now!
1348 @}
1349 @end example
1350
1351 Note that the variable @code{answer} is constructed here as an integer
1352 by @code{numeric}'s copy constructor, but in an intermediate step it
1353 holds a rational number represented as integer numerator and integer
1354 denominator.  When multiplied by 10, the denominator becomes unity and
1355 the result is automatically converted to a pure integer again.
1356 Internally, the underlying CLN is responsible for this behavior and we
1357 refer the reader to CLN's documentation.  Suffice to say that
1358 the same behavior applies to complex numbers as well as return values of
1359 certain functions.  Complex numbers are automatically converted to real
1360 numbers if the imaginary part becomes zero.  The full set of tests that
1361 can be applied is listed in the following table.
1362
1363 @cartouche
1364 @multitable @columnfractions .30 .70
1365 @item @strong{Method} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
1366 @item @code{.is_zero()}
1367 @tab @dots{}equal to zero
1368 @item @code{.is_positive()}
1369 @tab @dots{}not complex and greater than 0
1370 @item @code{.is_negative()}
1371 @tab @dots{}not complex and smaller than 0
1372 @item @code{.is_integer()}
1373 @tab @dots{}a (non-complex) integer
1374 @item @code{.is_pos_integer()}
1375 @tab @dots{}an integer and greater than 0
1376 @item @code{.is_nonneg_integer()}
1377 @tab @dots{}an integer and greater equal 0
1378 @item @code{.is_even()}
1379 @tab @dots{}an even integer
1380 @item @code{.is_odd()}
1381 @tab @dots{}an odd integer
1382 @item @code{.is_prime()}
1383 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
1384 @item @code{.is_rational()}
1385 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
1386 @item @code{.is_real()}
1387 @tab @dots{}a real integer, rational or float (i.e. is not complex)
1388 @item @code{.is_cinteger()}
1389 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
1390 @item @code{.is_crational()}
1391 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
1392 @end multitable
1393 @end cartouche
1394
1395 @page
1396
1397 @subsection Numeric functions
1398
1399 The following functions can be applied to @code{numeric} objects and will be
1400 evaluated immediately:
1401
1402 @cartouche
1403 @multitable @columnfractions .30 .70
1404 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
1405 @item @code{inverse(z)}
1406 @tab returns @math{1/z}
1407 @cindex @code{inverse()} (numeric)
1408 @item @code{pow(a, b)}
1409 @tab exponentiation @math{a^b}
1410 @item @code{abs(z)}
1411 @tab absolute value
1412 @item @code{real(z)}
1413 @tab real part
1414 @cindex @code{real()}
1415 @item @code{imag(z)}
1416 @tab imaginary part
1417 @cindex @code{imag()}
1418 @item @code{csgn(z)}
1419 @tab complex sign (returns an @code{int})
1420 @item @code{step(x)}
1421 @tab step function (returns an @code{numeric})
1422 @item @code{numer(z)}
1423 @tab numerator of rational or complex rational number
1424 @item @code{denom(z)}
1425 @tab denominator of rational or complex rational number
1426 @item @code{sqrt(z)}
1427 @tab square root
1428 @item @code{isqrt(n)}
1429 @tab integer square root
1430 @cindex @code{isqrt()}
1431 @item @code{sin(z)}
1432 @tab sine
1433 @item @code{cos(z)}
1434 @tab cosine
1435 @item @code{tan(z)}
1436 @tab tangent
1437 @item @code{asin(z)}
1438 @tab inverse sine
1439 @item @code{acos(z)}
1440 @tab inverse cosine
1441 @item @code{atan(z)}
1442 @tab inverse tangent
1443 @item @code{atan(y, x)}
1444 @tab inverse tangent with two arguments
1445 @item @code{sinh(z)}
1446 @tab hyperbolic sine
1447 @item @code{cosh(z)}
1448 @tab hyperbolic cosine
1449 @item @code{tanh(z)}
1450 @tab hyperbolic tangent
1451 @item @code{asinh(z)}
1452 @tab inverse hyperbolic sine
1453 @item @code{acosh(z)}
1454 @tab inverse hyperbolic cosine
1455 @item @code{atanh(z)}
1456 @tab inverse hyperbolic tangent
1457 @item @code{exp(z)}
1458 @tab exponential function
1459 @item @code{log(z)}
1460 @tab natural logarithm
1461 @item @code{Li2(z)}
1462 @tab dilogarithm
1463 @item @code{zeta(z)}
1464 @tab Riemann's zeta function
1465 @item @code{tgamma(z)}
1466 @tab gamma function
1467 @item @code{lgamma(z)}
1468 @tab logarithm of gamma function
1469 @item @code{psi(z)}
1470 @tab psi (digamma) function
1471 @item @code{psi(n, z)}
1472 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
1473 @item @code{factorial(n)}
1474 @tab factorial function @math{n!}
1475 @item @code{doublefactorial(n)}
1476 @tab double factorial function @math{n!!}
1477 @cindex @code{doublefactorial()}
1478 @item @code{binomial(n, k)}
1479 @tab binomial coefficients
1480 @item @code{bernoulli(n)}
1481 @tab Bernoulli numbers
1482 @cindex @code{bernoulli()}
1483 @item @code{fibonacci(n)}
1484 @tab Fibonacci numbers
1485 @cindex @code{fibonacci()}
1486 @item @code{mod(a, b)}
1487 @tab modulus in positive representation (in the range @code{[0, abs(b)-1]} with the sign of b, or zero)
1488 @cindex @code{mod()}
1489 @item @code{smod(a, b)}
1490 @tab modulus in symmetric representation (in the range @code{[-iquo(abs(b), 2), iquo(abs(b), 2)]})
1491 @cindex @code{smod()}
1492 @item @code{irem(a, b)}
1493 @tab integer remainder (has the sign of @math{a}, or is zero)
1494 @cindex @code{irem()}
1495 @item @code{irem(a, b, q)}
1496 @tab integer remainder and quotient, @code{irem(a, b, q) == a-q*b}
1497 @item @code{iquo(a, b)}
1498 @tab integer quotient
1499 @cindex @code{iquo()}
1500 @item @code{iquo(a, b, r)}
1501 @tab integer quotient and remainder, @code{r == a-iquo(a, b)*b}
1502 @item @code{gcd(a, b)}
1503 @tab greatest common divisor
1504 @item @code{lcm(a, b)}
1505 @tab least common multiple
1506 @end multitable
1507 @end cartouche
1508
1509 Most of these functions are also available as symbolic functions that can be
1510 used in expressions (@pxref{Mathematical functions}) or, like @code{gcd()},
1511 as polynomial algorithms.
1512
1513 @subsection Converting numbers
1514
1515 Sometimes it is desirable to convert a @code{numeric} object back to a
1516 built-in arithmetic type (@code{int}, @code{double}, etc.). The @code{numeric}
1517 class provides a couple of methods for this purpose:
1518
1519 @cindex @code{to_int()}
1520 @cindex @code{to_long()}
1521 @cindex @code{to_double()}
1522 @cindex @code{to_cl_N()}
1523 @example
1524 int numeric::to_int() const;
1525 long numeric::to_long() const;
1526 double numeric::to_double() const;
1527 cln::cl_N numeric::to_cl_N() const;
1528 @end example
1529
1530 @code{to_int()} and @code{to_long()} only work when the number they are
1531 applied on is an exact integer. Otherwise the program will halt with a
1532 message like @samp{Not a 32-bit integer}. @code{to_double()} applied on a
1533 rational number will return a floating-point approximation. Both
1534 @code{to_int()/to_long()} and @code{to_double()} discard the imaginary
1535 part of complex numbers.
1536
1537 Note the signature of the above methods, you may need to apply a type
1538 conversion and call @code{evalf()} as shown in the following example:
1539 @example
1540     ...
1541     ex e1 = 1, e2 = sin(Pi/5);
1542     cout << ex_to<numeric>(e1).to_int() << endl
1543          << ex_to<numeric>(e2.evalf()).to_double() << endl;
1544     ...
1545 @end example
1546
1547 @node Constants, Fundamental containers, Numbers, Basic concepts
1548 @c    node-name, next, previous, up
1549 @section Constants
1550 @cindex @code{constant} (class)
1551
1552 @cindex @code{Pi}
1553 @cindex @code{Catalan}
1554 @cindex @code{Euler}
1555 @cindex @code{evalf()}
1556 Constants behave pretty much like symbols except that they return some
1557 specific number when the method @code{.evalf()} is called.
1558
1559 The predefined known constants are:
1560
1561 @cartouche
1562 @multitable @columnfractions .14 .32 .54
1563 @item @strong{Name} @tab @strong{Common Name} @tab @strong{Numerical Value (to 35 digits)}
1564 @item @code{Pi}
1565 @tab Archimedes' constant
1566 @tab 3.14159265358979323846264338327950288
1567 @item @code{Catalan}
1568 @tab Catalan's constant
1569 @tab 0.91596559417721901505460351493238411
1570 @item @code{Euler}
1571 @tab Euler's (or Euler-Mascheroni) constant
1572 @tab 0.57721566490153286060651209008240243
1573 @end multitable
1574 @end cartouche
1575
1576
1577 @node Fundamental containers, Lists, Constants, Basic concepts
1578 @c    node-name, next, previous, up
1579 @section Sums, products and powers
1580 @cindex polynomial
1581 @cindex @code{add}
1582 @cindex @code{mul}
1583 @cindex @code{power}
1584
1585 Simple rational expressions are written down in GiNaC pretty much like
1586 in other CAS or like expressions involving numerical variables in C.
1587 The necessary operators @code{+}, @code{-}, @code{*} and @code{/} have
1588 been overloaded to achieve this goal.  When you run the following
1589 code snippet, the constructor for an object of type @code{mul} is
1590 automatically called to hold the product of @code{a} and @code{b} and
1591 then the constructor for an object of type @code{add} is called to hold
1592 the sum of that @code{mul} object and the number one:
1593
1594 @example
1595     ...
1596     symbol a("a"), b("b");
1597     ex MyTerm = 1+a*b;
1598     ...
1599 @end example
1600
1601 @cindex @code{pow()}
1602 For exponentiation, you have already seen the somewhat clumsy (though C-ish)
1603 statement @code{pow(x,2);} to represent @code{x} squared.  This direct
1604 construction is necessary since we cannot safely overload the constructor
1605 @code{^} in C++ to construct a @code{power} object.  If we did, it would
1606 have several counterintuitive and undesired effects:
1607
1608 @itemize @bullet
1609 @item
1610 Due to C's operator precedence, @code{2*x^2} would be parsed as @code{(2*x)^2}.
1611 @item
1612 Due to the binding of the operator @code{^}, @code{x^a^b} would result in
1613 @code{(x^a)^b}. This would be confusing since most (though not all) other CAS
1614 interpret this as @code{x^(a^b)}.
1615 @item
1616 Also, expressions involving integer exponents are very frequently used,
1617 which makes it even more dangerous to overload @code{^} since it is then
1618 hard to distinguish between the semantics as exponentiation and the one
1619 for exclusive or.  (It would be embarrassing to return @code{1} where one
1620 has requested @code{2^3}.)
1621 @end itemize
1622
1623 @cindex @command{ginsh}
1624 All effects are contrary to mathematical notation and differ from the
1625 way most other CAS handle exponentiation, therefore overloading @code{^}
1626 is ruled out for GiNaC's C++ part.  The situation is different in
1627 @command{ginsh}, there the exponentiation-@code{^} exists.  (Also note
1628 that the other frequently used exponentiation operator @code{**} does
1629 not exist at all in C++).
1630
1631 To be somewhat more precise, objects of the three classes described
1632 here, are all containers for other expressions.  An object of class
1633 @code{power} is best viewed as a container with two slots, one for the
1634 basis, one for the exponent.  All valid GiNaC expressions can be
1635 inserted.  However, basic transformations like simplifying
1636 @code{pow(pow(x,2),3)} to @code{x^6} automatically are only performed
1637 when this is mathematically possible.  If we replace the outer exponent
1638 three in the example by some symbols @code{a}, the simplification is not
1639 safe and will not be performed, since @code{a} might be @code{1/2} and
1640 @code{x} negative.
1641
1642 Objects of type @code{add} and @code{mul} are containers with an
1643 arbitrary number of slots for expressions to be inserted.  Again, simple
1644 and safe simplifications are carried out like transforming
1645 @code{3*x+4-x} to @code{2*x+4}.
1646
1647
1648 @node Lists, Mathematical functions, Fundamental containers, Basic concepts
1649 @c    node-name, next, previous, up
1650 @section Lists of expressions
1651 @cindex @code{lst} (class)
1652 @cindex lists
1653 @cindex @code{nops()}
1654 @cindex @code{op()}
1655 @cindex @code{append()}
1656 @cindex @code{prepend()}
1657 @cindex @code{remove_first()}
1658 @cindex @code{remove_last()}
1659 @cindex @code{remove_all()}
1660
1661 The GiNaC class @code{lst} serves for holding a @dfn{list} of arbitrary
1662 expressions. They are not as ubiquitous as in many other computer algebra
1663 packages, but are sometimes used to supply a variable number of arguments of
1664 the same type to GiNaC methods such as @code{subs()} and some @code{matrix}
1665 constructors, so you should have a basic understanding of them.
1666
1667 Lists can be constructed from an initializer list of expressions:
1668
1669 @example
1670 @{
1671     symbol x("x"), y("y");
1672     lst l = @{x, 2, y, x+y@};
1673     // now, l is a list holding the expressions 'x', '2', 'y', and 'x+y',
1674     // in that order
1675     ...
1676 @end example
1677
1678 Use the @code{nops()} method to determine the size (number of expressions) of
1679 a list and the @code{op()} method or the @code{[]} operator to access
1680 individual elements:
1681
1682 @example
1683     ...
1684     cout << l.nops() << endl;                // prints '4'
1685     cout << l.op(2) << " " << l[0] << endl;  // prints 'y x'
1686     ...
1687 @end example
1688
1689 As with the standard @code{list<T>} container, accessing random elements of a
1690 @code{lst} is generally an operation of order @math{O(N)}. Faster read-only
1691 sequential access to the elements of a list is possible with the
1692 iterator types provided by the @code{lst} class:
1693
1694 @example
1695 typedef ... lst::const_iterator;
1696 typedef ... lst::const_reverse_iterator;
1697 lst::const_iterator lst::begin() const;
1698 lst::const_iterator lst::end() const;
1699 lst::const_reverse_iterator lst::rbegin() const;
1700 lst::const_reverse_iterator lst::rend() const;
1701 @end example
1702
1703 For example, to print the elements of a list individually you can use:
1704
1705 @example
1706     ...
1707     // O(N)
1708     for (lst::const_iterator i = l.begin(); i != l.end(); ++i)
1709         cout << *i << endl;
1710     ...
1711 @end example
1712
1713 which is one order faster than
1714
1715 @example
1716     ...
1717     // O(N^2)
1718     for (size_t i = 0; i < l.nops(); ++i)
1719         cout << l.op(i) << endl;
1720     ...
1721 @end example
1722
1723 These iterators also allow you to use some of the algorithms provided by
1724 the C++ standard library:
1725
1726 @example
1727     ...
1728     // print the elements of the list (requires #include <iterator>)
1729     std::copy(l.begin(), l.end(), ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
1730
1731     // sum up the elements of the list (requires #include <numeric>)
1732     ex sum = std::accumulate(l.begin(), l.end(), ex(0));
1733     cout << sum << endl;  // prints '2+2*x+2*y'
1734     ...
1735 @end example
1736
1737 @code{lst} is one of the few GiNaC classes that allow in-place modifications
1738 (the only other one is @code{matrix}). You can modify single elements:
1739
1740 @example
1741     ...
1742     l[1] = 42;       // l is now @{x, 42, y, x+y@}
1743     l.let_op(1) = 7; // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1744     ...
1745 @end example
1746
1747 You can append or prepend an expression to a list with the @code{append()}
1748 and @code{prepend()} methods:
1749
1750 @example
1751     ...
1752     l.append(4*x);   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1753     l.prepend(0);    // l is now @{0, x, 7, y, x+y, 4*x@}
1754     ...
1755 @end example
1756
1757 You can remove the first or last element of a list with @code{remove_first()}
1758 and @code{remove_last()}:
1759
1760 @example
1761     ...
1762     l.remove_first();   // l is now @{x, 7, y, x+y, 4*x@}
1763     l.remove_last();    // l is now @{x, 7, y, x+y@}
1764     ...
1765 @end example
1766
1767 You can remove all the elements of a list with @code{remove_all()}:
1768
1769 @example
1770     ...
1771     l.remove_all();     // l is now empty
1772     ...
1773 @end example
1774
1775 You can bring the elements of a list into a canonical order with @code{sort()}:
1776
1777 @example
1778     ...
1779     lst l1 = @{x, 2, y, x+y@};
1780     lst l2 = @{2, x+y, x, y@};
1781     l1.sort();
1782     l2.sort();
1783     // l1 and l2 are now equal
1784     ...
1785 @end example
1786
1787 Finally, you can remove all but the first element of consecutive groups of
1788 elements with @code{unique()}:
1789
1790 @example
1791     ...
1792     lst l3 = @{x, 2, 2, 2, y, x+y, y+x@};
1793     l3.unique();        // l3 is now @{x, 2, y, x+y@}
1794 @}
1795 @end example
1796
1797
1798 @node Mathematical functions, Relations, Lists, Basic concepts
1799 @c    node-name, next, previous, up
1800 @section Mathematical functions
1801 @cindex @code{function} (class)
1802 @cindex trigonometric function
1803 @cindex hyperbolic function
1804
1805 There are quite a number of useful functions hard-wired into GiNaC.  For
1806 instance, all trigonometric and hyperbolic functions are implemented
1807 (@xref{Built-in functions}, for a complete list).
1808
1809 These functions (better called @emph{pseudofunctions}) are all objects
1810 of class @code{function}.  They accept one or more expressions as
1811 arguments and return one expression.  If the arguments are not
1812 numerical, the evaluation of the function may be halted, as it does in
1813 the next example, showing how a function returns itself twice and
1814 finally an expression that may be really useful:
1815
1816 @cindex Gamma function
1817 @cindex @code{subs()}
1818 @example
1819     ...
1820     symbol x("x"), y("y");    
1821     ex foo = x+y/2;
1822     cout << tgamma(foo) << endl;
1823      // -> tgamma(x+(1/2)*y)
1824     ex bar = foo.subs(y==1);
1825     cout << tgamma(bar) << endl;
1826      // -> tgamma(x+1/2)
1827     ex foobar = bar.subs(x==7);
1828     cout << tgamma(foobar) << endl;
1829      // -> (135135/128)*Pi^(1/2)
1830     ...
1831 @end example
1832
1833 Besides evaluation most of these functions allow differentiation, series
1834 expansion and so on.  Read the next chapter in order to learn more about
1835 this.
1836
1837 It must be noted that these pseudofunctions are created by inline
1838 functions, where the argument list is templated.  This means that
1839 whenever you call @code{GiNaC::sin(1)} it is equivalent to
1840 @code{sin(ex(1))} and will therefore not result in a floating point
1841 number.  Unless of course the function prototype is explicitly
1842 overridden -- which is the case for arguments of type @code{numeric}
1843 (not wrapped inside an @code{ex}).  Hence, in order to obtain a floating
1844 point number of class @code{numeric} you should call
1845 @code{sin(numeric(1))}.  This is almost the same as calling
1846 @code{sin(1).evalf()} except that the latter will return a numeric
1847 wrapped inside an @code{ex}.
1848
1849
1850 @node Relations, Integrals, Mathematical functions, Basic concepts
1851 @c    node-name, next, previous, up
1852 @section Relations
1853 @cindex @code{relational} (class)
1854
1855 Sometimes, a relation holding between two expressions must be stored
1856 somehow.  The class @code{relational} is a convenient container for such
1857 purposes.  A relation is by definition a container for two @code{ex} and
1858 a relation between them that signals equality, inequality and so on.
1859 They are created by simply using the C++ operators @code{==}, @code{!=},
1860 @code{<}, @code{<=}, @code{>} and @code{>=} between two expressions.
1861
1862 @xref{Mathematical functions}, for examples where various applications
1863 of the @code{.subs()} method show how objects of class relational are
1864 used as arguments.  There they provide an intuitive syntax for
1865 substitutions.  They are also used as arguments to the @code{ex::series}
1866 method, where the left hand side of the relation specifies the variable
1867 to expand in and the right hand side the expansion point.  They can also
1868 be used for creating systems of equations that are to be solved for
1869 unknown variables.
1870
1871 But the most common usage of objects of this class
1872 is rather inconspicuous in statements of the form @code{if
1873 (expand(pow(a+b,2))==a*a+2*a*b+b*b) @{...@}}.  Here, an implicit
1874 conversion from @code{relational} to @code{bool} takes place.  Note,
1875 however, that @code{==} here does not perform any simplifications, hence
1876 @code{expand()} must be called explicitly.
1877
1878 Simplifications of
1879 relationals may be more efficient if preceded by a call to
1880 @example
1881 ex relational::canonical() const
1882 @end example
1883 which returns an equivalent relation with the zero
1884 right-hand side. For example:
1885 @example
1886 possymbol p("p");
1887 relational rel = (p >= (p*p-1)/p);
1888 if (ex_to<relational>(rel.canonical().normal()))
1889         cout << "correct inequality" << endl;
1890 @end example
1891 However, a user shall not expect that any inequality can be fully
1892 resolved by GiNaC.
1893
1894 @node Integrals, Matrices, Relations, Basic concepts
1895 @c    node-name, next, previous, up
1896 @section Integrals
1897 @cindex @code{integral} (class)
1898
1899 An object of class @dfn{integral} can be used to hold a symbolic integral.
1900 If you want to symbolically represent the integral of @code{x*x} from 0 to
1901 1, you would write this as
1902 @example
1903 integral(x, 0, 1, x*x)
1904 @end example
1905 The first argument is the integration variable. It should be noted that
1906 GiNaC is not very good (yet?) at symbolically evaluating integrals. In
1907 fact, it can only integrate polynomials. An expression containing integrals
1908 can be evaluated symbolically by calling the
1909 @example
1910 .eval_integ()
1911 @end example
1912 method on it. Numerical evaluation is available by calling the
1913 @example
1914 .evalf()
1915 @end example
1916 method on an expression containing the integral. This will only evaluate
1917 integrals into a number if @code{subs}ing the integration variable by a
1918 number in the fourth argument of an integral and then @code{evalf}ing the
1919 result always results in a number. Of course, also the boundaries of the
1920 integration domain must @code{evalf} into numbers. It should be noted that
1921 trying to @code{evalf} a function with discontinuities in the integration
1922 domain is not recommended. The accuracy of the numeric evaluation of
1923 integrals is determined by the static member variable
1924 @example
1925 ex integral::relative_integration_error
1926 @end example
1927 of the class @code{integral}. The default value of this is 10^-8.
1928 The integration works by halving the interval of integration, until numeric
1929 stability of the answer indicates that the requested accuracy has been
1930 reached. The maximum depth of the halving can be set via the static member
1931 variable
1932 @example
1933 int integral::max_integration_level
1934 @end example
1935 The default value is 15. If this depth is exceeded, @code{evalf} will simply
1936 return the integral unevaluated. The function that performs the numerical
1937 evaluation, is also available as
1938 @example
1939 ex adaptivesimpson(const ex & x, const ex & a, const ex & b, const ex & f,
1940                    const ex & error)
1941 @end example
1942 This function will throw an exception if the maximum depth is exceeded. The
1943 last parameter of the function is optional and defaults to the
1944 @code{relative_integration_error}. To make sure that we do not do too
1945 much work if an expression contains the same integral multiple times,
1946 a lookup table is used.
1947
1948 If you know that an expression holds an integral, you can get the
1949 integration variable, the left boundary, right boundary and integrand by
1950 respectively calling @code{.op(0)}, @code{.op(1)}, @code{.op(2)}, and
1951 @code{.op(3)}. Differentiating integrals with respect to variables works
1952 as expected. Note that it makes no sense to differentiate an integral
1953 with respect to the integration variable.
1954
1955 @node Matrices, Indexed objects, Integrals, Basic concepts
1956 @c    node-name, next, previous, up
1957 @section Matrices
1958 @cindex @code{matrix} (class)
1959
1960 A @dfn{matrix} is a two-dimensional array of expressions. The elements of a
1961 matrix with @math{m} rows and @math{n} columns are accessed with two
1962 @code{unsigned} indices, the first one in the range 0@dots{}@math{m-1}, the
1963 second one in the range 0@dots{}@math{n-1}.
1964
1965 There are a couple of ways to construct matrices, with or without preset
1966 elements. The constructor
1967
1968 @example
1969 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c);
1970 @end example
1971
1972 creates a matrix with @samp{r} rows and @samp{c} columns with all elements
1973 set to zero.
1974
1975 The easiest way to create a matrix is using an initializer list of
1976 initializer lists, all of the same size:
1977
1978 @example
1979 @{
1980     matrix m = @{@{1, -a@},
1981                 @{a,  1@}@};
1982 @}
1983 @end example
1984
1985 You can also specify the elements as a (flat) list with
1986
1987 @example
1988 matrix::matrix(unsigned r, unsigned c, const lst & l);
1989 @end example
1990
1991 The function
1992
1993 @cindex @code{lst_to_matrix()}
1994 @example
1995 ex lst_to_matrix(const lst & l);
1996 @end example
1997
1998 constructs a matrix from a list of lists, each list representing a matrix row.
1999
2000 There is also a set of functions for creating some special types of
2001 matrices:
2002
2003 @cindex @code{diag_matrix()}
2004 @cindex @code{unit_matrix()}
2005 @cindex @code{symbolic_matrix()}
2006 @example
2007 ex diag_matrix(const lst & l);
2008 ex diag_matrix(initializer_list<ex> l);
2009 ex unit_matrix(unsigned x);
2010 ex unit_matrix(unsigned r, unsigned c);
2011 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name);
2012 ex symbolic_matrix(unsigned r, unsigned c, const string & base_name,
2013                    const string & tex_base_name);
2014 @end example
2015
2016 @code{diag_matrix()} constructs a square diagonal matrix given the diagonal
2017 elements. @code{unit_matrix()} creates an @samp{x} by @samp{x} (or @samp{r}
2018 by @samp{c}) unit matrix. And finally, @code{symbolic_matrix} constructs a
2019 matrix filled with newly generated symbols made of the specified base name
2020 and the position of each element in the matrix.
2021
2022 Matrices often arise by omitting elements of another matrix. For
2023 instance, the submatrix @code{S} of a matrix @code{M} takes a
2024 rectangular block from @code{M}. The reduced matrix @code{R} is defined
2025 by removing one row and one column from a matrix @code{M}. (The
2026 determinant of a reduced matrix is called a @emph{Minor} of @code{M} and
2027 can be used for computing the inverse using Cramer's rule.)
2028
2029 @cindex @code{sub_matrix()}
2030 @cindex @code{reduced_matrix()}
2031 @example
2032 ex sub_matrix(const matrix&m, unsigned r, unsigned nr, unsigned c, unsigned nc);
2033 ex reduced_matrix(const matrix& m, unsigned r, unsigned c);
2034 @end example
2035
2036 The function @code{sub_matrix()} takes a row offset @code{r} and a
2037 column offset @code{c} and takes a block of @code{nr} rows and @code{nc}
2038 columns. The function @code{reduced_matrix()} has two integer arguments
2039 that specify which row and column to remove:
2040
2041 @example
2042 @{
2043     matrix m = @{@{11, 12, 13@},
2044                 @{21, 22, 23@},
2045                 @{31, 32, 33@}@};
2046     cout << reduced_matrix(m, 1, 1) << endl;
2047     // -> [[11,13],[31,33]]
2048     cout << sub_matrix(m, 1, 2, 1, 2) << endl;
2049     // -> [[22,23],[32,33]]
2050 @}
2051 @end example
2052
2053 Matrix elements can be accessed and set using the parenthesis (function call)
2054 operator:
2055
2056 @example
2057 const ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c) const;
2058 ex & matrix::operator()(unsigned r, unsigned c);
2059 @end example
2060
2061 It is also possible to access the matrix elements in a linear fashion with
2062 the @code{op()} method. But C++-style subscripting with square brackets
2063 @samp{[]} is not available.
2064
2065 Here are a couple of examples for constructing matrices:
2066
2067 @example
2068 @{
2069     symbol a("a"), b("b");
2070
2071     matrix M = @{@{a, 0@},
2072                 @{0, b@}@};
2073     cout << M << endl;
2074      // -> [[a,0],[0,b]]
2075
2076     matrix M2(2, 2);
2077     M2(0, 0) = a;
2078     M2(1, 1) = b;
2079     cout << M2 << endl;
2080      // -> [[a,0],[0,b]]
2081
2082     cout << matrix(2, 2, lst@{a, 0, 0, b@}) << endl;
2083      // -> [[a,0],[0,b]]
2084
2085     cout << lst_to_matrix(lst@{lst@{a, 0@}, lst@{0, b@}@}) << endl;
2086      // -> [[a,0],[0,b]]
2087
2088     cout << diag_matrix(lst@{a, b@}) << endl;
2089      // -> [[a,0],[0,b]]
2090
2091     cout << unit_matrix(3) << endl;
2092      // -> [[1,0,0],[0,1,0],[0,0,1]]
2093
2094     cout << symbolic_matrix(2, 3, "x") << endl;
2095      // -> [[x00,x01,x02],[x10,x11,x12]]
2096 @}
2097 @end example
2098
2099 @cindex @code{is_zero_matrix()} 
2100 The method @code{matrix::is_zero_matrix()} returns @code{true} only if
2101 all entries of the matrix are zeros. There is also method
2102 @code{ex::is_zero_matrix()} which returns @code{true} only if the
2103 expression is zero or a zero matrix.
2104
2105 @cindex @code{transpose()}
2106 There are three ways to do arithmetic with matrices. The first (and most
2107 direct one) is to use the methods provided by the @code{matrix} class:
2108
2109 @example
2110 matrix matrix::add(const matrix & other) const;
2111 matrix matrix::sub(const matrix & other) const;
2112 matrix matrix::mul(const matrix & other) const;
2113 matrix matrix::mul_scalar(const ex & other) const;
2114 matrix matrix::pow(const ex & expn) const;
2115 matrix matrix::transpose() const;
2116 @end example
2117
2118 All of these methods return the result as a new matrix object. Here is an
2119 example that calculates @math{A*B-2*C} for three matrices @math{A}, @math{B}
2120 and @math{C}:
2121
2122 @example
2123 @{
2124     matrix A = @{@{ 1, 2@},
2125                 @{ 3, 4@}@};
2126     matrix B = @{@{-1, 0@},
2127                 @{ 2, 1@}@};
2128     matrix C = @{@{ 8, 4@},
2129                 @{ 2, 1@}@};
2130
2131     matrix result = A.mul(B).sub(C.mul_scalar(2));
2132     cout << result << endl;
2133      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2134     ...
2135 @}
2136 @end example
2137
2138 @cindex @code{evalm()}
2139 The second (and probably the most natural) way is to construct an expression
2140 containing matrices with the usual arithmetic operators and @code{pow()}.
2141 For efficiency reasons, expressions with sums, products and powers of
2142 matrices are not automatically evaluated in GiNaC. You have to call the
2143 method
2144
2145 @example
2146 ex ex::evalm() const;
2147 @end example
2148
2149 to obtain the result:
2150
2151 @example
2152 @{
2153     ...
2154     ex e = A*B - 2*C;
2155     cout << e << endl;
2156      // -> [[1,2],[3,4]]*[[-1,0],[2,1]]-2*[[8,4],[2,1]]
2157     cout << e.evalm() << endl;
2158      // -> [[-13,-6],[1,2]]
2159     ...
2160 @}
2161 @end example
2162
2163 The non-commutativity of the product @code{A*B} in this example is
2164 automatically recognized by GiNaC. There is no need to use a special
2165 operator here. @xref{Non-commutative objects}, for more information about
2166 dealing with non-commutative expressions.
2167
2168 Finally, you can work with indexed matrices and call @code{simplify_indexed()}
2169 to perform the arithmetic:
2170
2171 @example
2172 @{
2173     ...
2174     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2), k(symbol("k"), 2);
2175     e = indexed(A, i, k) * indexed(B, k, j) - 2 * indexed(C, i, j);
2176     cout << e << endl;
2177      // -> -2*[[8,4],[2,1]].i.j+[[-1,0],[2,1]].k.j*[[1,2],[3,4]].i.k
2178     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2179      // -> [[-13,-6],[1,2]].i.j
2180 @}
2181 @end example
2182
2183 Using indices is most useful when working with rectangular matrices and
2184 one-dimensional vectors because you don't have to worry about having to
2185 transpose matrices before multiplying them. @xref{Indexed objects}, for
2186 more information about using matrices with indices, and about indices in
2187 general.
2188
2189 The @code{matrix} class provides a couple of additional methods for
2190 computing determinants, traces, characteristic polynomials and ranks:
2191
2192 @cindex @code{determinant()}
2193 @cindex @code{trace()}
2194 @cindex @code{charpoly()}
2195 @cindex @code{rank()}
2196 @example
2197 ex matrix::determinant(unsigned algo=determinant_algo::automatic) const;
2198 ex matrix::trace() const;
2199 ex matrix::charpoly(const ex & lambda) const;
2200 unsigned matrix::rank(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2201 @end example
2202
2203 The optional @samp{algo} argument of @code{determinant()} and @code{rank()}
2204 functions allows to select between different algorithms for calculating the
2205 determinant and rank respectively. The asymptotic speed (as parametrized
2206 by the matrix size) can greatly differ between those algorithms, depending
2207 on the nature of the matrix' entries. The possible values are defined in
2208 the @file{flags.h} header file. By default, GiNaC uses a heuristic to
2209 automatically select an algorithm that is likely (but not guaranteed)
2210 to give the result most quickly.
2211
2212 @cindex @code{solve()}
2213 Linear systems can be solved with:
2214
2215 @example
2216 matrix matrix::solve(const matrix & vars, const matrix & rhs,
2217                      unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2218 @end example
2219
2220 Assuming the matrix object this method is applied on is an @code{m}
2221 times @code{n} matrix, then @code{vars} must be a @code{n} times
2222 @code{p} matrix of symbolic indeterminates and @code{rhs} a @code{m}
2223 times @code{p} matrix.  The returned matrix then has dimension @code{n}
2224 times @code{p} and in the case of an underdetermined system will still
2225 contain some of the indeterminates from @code{vars}.  If the system is
2226 overdetermined, an exception is thrown.
2227
2228 @cindex @code{inverse()} (matrix)
2229 To invert a matrix, use the method:
2230
2231 @example
2232 matrix matrix::inverse(unsigned algo=solve_algo::automatic) const;
2233 @end example
2234
2235 The @samp{algo} argument is optional.  If given, it must be one of
2236 @code{solve_algo} defined in @file{flags.h}.
2237
2238 @node Indexed objects, Non-commutative objects, Matrices, Basic concepts
2239 @c    node-name, next, previous, up
2240 @section Indexed objects
2241
2242 GiNaC allows you to handle expressions containing general indexed objects in
2243 arbitrary spaces. It is also able to canonicalize and simplify such
2244 expressions and perform symbolic dummy index summations. There are a number
2245 of predefined indexed objects provided, like delta and metric tensors.
2246
2247 There are few restrictions placed on indexed objects and their indices and
2248 it is easy to construct nonsense expressions, but our intention is to
2249 provide a general framework that allows you to implement algorithms with
2250 indexed quantities, getting in the way as little as possible.
2251
2252 @cindex @code{idx} (class)
2253 @cindex @code{indexed} (class)
2254 @subsection Indexed quantities and their indices
2255
2256 Indexed expressions in GiNaC are constructed of two special types of objects,
2257 @dfn{index objects} and @dfn{indexed objects}.
2258
2259 @itemize @bullet
2260
2261 @cindex contravariant
2262 @cindex covariant
2263 @cindex variance
2264 @item Index objects are of class @code{idx} or a subclass. Every index has
2265 a @dfn{value} and a @dfn{dimension} (which is the dimension of the space
2266 the index lives in) which can both be arbitrary expressions but are usually
2267 a number or a simple symbol. In addition, indices of class @code{varidx} have
2268 a @dfn{variance} (they can be co- or contravariant), and indices of class
2269 @code{spinidx} have a variance and can be @dfn{dotted} or @dfn{undotted}.
2270
2271 @item Indexed objects are of class @code{indexed} or a subclass. They
2272 contain a @dfn{base expression} (which is the expression being indexed), and
2273 one or more indices.
2274
2275 @end itemize
2276
2277 @strong{Please notice:} when printing expressions, covariant indices and indices
2278 without variance are denoted @samp{.i} while contravariant indices are
2279 denoted @samp{~i}. Dotted indices have a @samp{*} in front of the index
2280 value. In the following, we are going to use that notation in the text so
2281 instead of @math{A^i_jk} we will write @samp{A~i.j.k}. Index dimensions are
2282 not visible in the output.
2283
2284 A simple example shall illustrate the concepts:
2285
2286 @example
2287 #include <iostream>
2288 #include <ginac/ginac.h>
2289 using namespace std;
2290 using namespace GiNaC;
2291
2292 int main()
2293 @{
2294     symbol i_sym("i"), j_sym("j");
2295     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3);
2296
2297     symbol A("A");
2298     cout << indexed(A, i, j) << endl;
2299      // -> A.i.j
2300     cout << index_dimensions << indexed(A, i, j) << endl;
2301      // -> A.i[3].j[3]
2302     cout << dflt; // reset cout to default output format (dimensions hidden)
2303     ...
2304 @end example
2305
2306 The @code{idx} constructor takes two arguments, the index value and the
2307 index dimension. First we define two index objects, @code{i} and @code{j},
2308 both with the numeric dimension 3. The value of the index @code{i} is the
2309 symbol @code{i_sym} (which prints as @samp{i}) and the value of the index
2310 @code{j} is the symbol @code{j_sym} (which prints as @samp{j}). Next we
2311 construct an expression containing one indexed object, @samp{A.i.j}. It has
2312 the symbol @code{A} as its base expression and the two indices @code{i} and
2313 @code{j}.
2314
2315 The dimensions of indices are normally not visible in the output, but one
2316 can request them to be printed with the @code{index_dimensions} manipulator,
2317 as shown above.
2318
2319 Note the difference between the indices @code{i} and @code{j} which are of
2320 class @code{idx}, and the index values which are the symbols @code{i_sym}
2321 and @code{j_sym}. The indices of indexed objects cannot directly be symbols
2322 or numbers but must be index objects. For example, the following is not
2323 correct and will raise an exception:
2324
2325 @example
2326 symbol i("i"), j("j");
2327 e = indexed(A, i, j); // ERROR: indices must be of type idx
2328 @end example
2329
2330 You can have multiple indexed objects in an expression, index values can
2331 be numeric, and index dimensions symbolic:
2332
2333 @example
2334     ...
2335     symbol B("B"), dim("dim");
2336     cout << 4 * indexed(A, i)
2337           + indexed(B, idx(j_sym, 4), idx(2, 3), idx(i_sym, dim)) << endl;
2338      // -> B.j.2.i+4*A.i
2339     ...
2340 @end example
2341
2342 @code{B} has a 4-dimensional symbolic index @samp{k}, a 3-dimensional numeric
2343 index of value 2, and a symbolic index @samp{i} with the symbolic dimension
2344 @samp{dim}. Note that GiNaC doesn't automatically notify you that the free
2345 indices of @samp{A} and @samp{B} in the sum don't match (you have to call
2346 @code{simplify_indexed()} for that, see below).
2347
2348 In fact, base expressions, index values and index dimensions can be
2349 arbitrary expressions:
2350
2351 @example
2352     ...
2353     cout << indexed(A+B, idx(2*i_sym+1, dim/2)) << endl;
2354      // -> (B+A).(1+2*i)
2355     ...
2356 @end example
2357
2358 It's also possible to construct nonsense like @samp{Pi.sin(x)}. You will not
2359 get an error message from this but you will probably not be able to do
2360 anything useful with it.
2361
2362 @cindex @code{get_value()}
2363 @cindex @code{get_dim()}
2364 The methods
2365
2366 @example
2367 ex idx::get_value();
2368 ex idx::get_dim();
2369 @end example
2370
2371 return the value and dimension of an @code{idx} object. If you have an index
2372 in an expression, such as returned by calling @code{.op()} on an indexed
2373 object, you can get a reference to the @code{idx} object with the function
2374 @code{ex_to<idx>()} on the expression.
2375
2376 There are also the methods
2377
2378 @example
2379 bool idx::is_numeric();
2380 bool idx::is_symbolic();
2381 bool idx::is_dim_numeric();
2382 bool idx::is_dim_symbolic();
2383 @end example
2384
2385 for checking whether the value and dimension are numeric or symbolic
2386 (non-numeric). Using the @code{info()} method of an index (see @ref{Information
2387 about expressions}) returns information about the index value.
2388
2389 @cindex @code{varidx} (class)
2390 If you need co- and contravariant indices, use the @code{varidx} class:
2391
2392 @example
2393     ...
2394     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu");
2395     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4); // default is contravariant ~mu, ~nu
2396     varidx mu_co(mu_sym, 4, true);       // covariant index .mu
2397
2398     cout << indexed(A, mu, nu) << endl;
2399      // -> A~mu~nu
2400     cout << indexed(A, mu_co, nu) << endl;
2401      // -> A.mu~nu
2402     cout << indexed(A, mu.toggle_variance(), nu) << endl;
2403      // -> A.mu~nu
2404     ...
2405 @end example
2406
2407 A @code{varidx} is an @code{idx} with an additional flag that marks it as
2408 co- or contravariant. The default is a contravariant (upper) index, but
2409 this can be overridden by supplying a third argument to the @code{varidx}
2410 constructor. The two methods
2411
2412 @example
2413 bool varidx::is_covariant();
2414 bool varidx::is_contravariant();
2415 @end example
2416
2417 allow you to check the variance of a @code{varidx} object (use @code{ex_to<varidx>()}
2418 to get the object reference from an expression). There's also the very useful
2419 method
2420
2421 @example
2422 ex varidx::toggle_variance();
2423 @end example
2424
2425 which makes a new index with the same value and dimension but the opposite
2426 variance. By using it you only have to define the index once.
2427
2428 @cindex @code{spinidx} (class)
2429 The @code{spinidx} class provides dotted and undotted variant indices, as
2430 used in the Weyl-van-der-Waerden spinor formalism:
2431
2432 @example
2433     ...
2434     symbol K("K"), C_sym("C"), D_sym("D");
2435     spinidx C(C_sym, 2), D(D_sym);          // default is 2-dimensional,
2436                                             // contravariant, undotted
2437     spinidx C_co(C_sym, 2, true);           // covariant index
2438     spinidx D_dot(D_sym, 2, false, true);   // contravariant, dotted
2439     spinidx D_co_dot(D_sym, 2, true, true); // covariant, dotted
2440
2441     cout << indexed(K, C, D) << endl;
2442      // -> K~C~D
2443     cout << indexed(K, C_co, D_dot) << endl;
2444      // -> K.C~*D
2445     cout << indexed(K, D_co_dot, D) << endl;
2446      // -> K.*D~D
2447     ...
2448 @end example
2449
2450 A @code{spinidx} is a @code{varidx} with an additional flag that marks it as
2451 dotted or undotted. The default is undotted but this can be overridden by
2452 supplying a fourth argument to the @code{spinidx} constructor. The two
2453 methods
2454
2455 @example
2456 bool spinidx::is_dotted();
2457 bool spinidx::is_undotted();
2458 @end example
2459
2460 allow you to check whether or not a @code{spinidx} object is dotted (use
2461 @code{ex_to<spinidx>()} to get the object reference from an expression).
2462 Finally, the two methods
2463
2464 @example
2465 ex spinidx::toggle_dot();
2466 ex spinidx::toggle_variance_dot();
2467 @end example
2468
2469 create a new index with the same value and dimension but opposite dottedness
2470 and the same or opposite variance.
2471
2472 @subsection Substituting indices
2473
2474 @cindex @code{subs()}
2475 Sometimes you will want to substitute one symbolic index with another
2476 symbolic or numeric index, for example when calculating one specific element
2477 of a tensor expression. This is done with the @code{.subs()} method, as it
2478 is done for symbols (see @ref{Substituting expressions}).
2479
2480 You have two possibilities here. You can either substitute the whole index
2481 by another index or expression:
2482
2483 @example
2484     ...
2485     ex e = indexed(A, mu_co);
2486     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == nu) << endl;
2487      // -> A.mu becomes A~nu
2488     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == varidx(0, 4)) << endl;
2489      // -> A.mu becomes A~0
2490     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_co == 0) << endl;
2491      // -> A.mu becomes A.0
2492     ...
2493 @end example
2494
2495 The third example shows that trying to replace an index with something that
2496 is not an index will substitute the index value instead.
2497
2498 Alternatively, you can substitute the @emph{symbol} of a symbolic index by
2499 another expression:
2500
2501 @example
2502     ...
2503     ex e = indexed(A, mu_co);
2504     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == nu_sym) << endl;
2505      // -> A.mu becomes A.nu
2506     cout << e << " becomes " << e.subs(mu_sym == 0) << endl;
2507      // -> A.mu becomes A.0
2508     ...
2509 @end example
2510
2511 As you see, with the second method only the value of the index will get
2512 substituted. Its other properties, including its dimension, remain unchanged.
2513 If you want to change the dimension of an index you have to substitute the
2514 whole index by another one with the new dimension.
2515
2516 Finally, substituting the base expression of an indexed object works as
2517 expected:
2518
2519 @example
2520     ...
2521     ex e = indexed(A, mu_co);
2522     cout << e << " becomes " << e.subs(A == A+B) << endl;
2523      // -> A.mu becomes (B+A).mu
2524     ...
2525 @end example
2526
2527 @subsection Symmetries
2528 @cindex @code{symmetry} (class)
2529 @cindex @code{sy_none()}
2530 @cindex @code{sy_symm()}
2531 @cindex @code{sy_anti()}
2532 @cindex @code{sy_cycl()}
2533
2534 Indexed objects can have certain symmetry properties with respect to their
2535 indices. Symmetries are specified as a tree of objects of class @code{symmetry}
2536 that is constructed with the helper functions
2537
2538 @example
2539 symmetry sy_none(...);
2540 symmetry sy_symm(...);
2541 symmetry sy_anti(...);
2542 symmetry sy_cycl(...);
2543 @end example
2544
2545 @code{sy_none()} stands for no symmetry, @code{sy_symm()} and @code{sy_anti()}
2546 specify fully symmetric or antisymmetric, respectively, and @code{sy_cycl()}
2547 represents a cyclic symmetry. Each of these functions accepts up to four
2548 arguments which can be either symmetry objects themselves or unsigned integer
2549 numbers that represent an index position (counting from 0). A symmetry
2550 specification that consists of only a single @code{sy_symm()}, @code{sy_anti()}
2551 or @code{sy_cycl()} with no arguments specifies the respective symmetry for
2552 all indices.
2553
2554 Here are some examples of symmetry definitions:
2555
2556 @example
2557     ...
2558     // No symmetry:
2559     e = indexed(A, i, j);
2560     e = indexed(A, sy_none(), i, j);     // equivalent
2561     e = indexed(A, sy_none(0, 1), i, j); // equivalent
2562
2563     // Symmetric in all three indices:
2564     e = indexed(A, sy_symm(), i, j, k);
2565     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2566     e = indexed(A, sy_symm(2, 0, 1), i, j, k); // same symmetry, but yields a
2567                                                // different canonical order
2568
2569     // Symmetric in the first two indices only:
2570     e = indexed(A, sy_symm(0, 1), i, j, k);
2571     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), 2), i, j, k); // equivalent
2572
2573     // Antisymmetric in the first and last index only (index ranges need not
2574     // be contiguous):
2575     e = indexed(A, sy_anti(0, 2), i, j, k);
2576     e = indexed(A, sy_none(sy_anti(0, 2), 1), i, j, k); // equivalent
2577
2578     // An example of a mixed symmetry: antisymmetric in the first two and
2579     // last two indices, symmetric when swapping the first and last index
2580     // pairs (like the Riemann curvature tensor):
2581     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), sy_anti(2, 3)), i, j, k, l);
2582
2583     // Cyclic symmetry in all three indices:
2584     e = indexed(A, sy_cycl(), i, j, k);
2585     e = indexed(A, sy_cycl(0, 1, 2), i, j, k); // equivalent
2586
2587     // The following examples are invalid constructions that will throw
2588     // an exception at run time.
2589
2590     // An index may not appear multiple times:
2591     e = indexed(A, sy_symm(0, 0, 1), i, j, k); // ERROR
2592     e = indexed(A, sy_none(sy_symm(0, 1), sy_anti(0, 2)), i, j, k); // ERROR
2593
2594     // Every child of sy_symm(), sy_anti() and sy_cycl() must refer to the
2595     // same number of indices:
2596     e = indexed(A, sy_symm(sy_anti(0, 1), 2), i, j, k); // ERROR
2597
2598     // And of course, you cannot specify indices which are not there:
2599     e = indexed(A, sy_symm(0, 1, 2, 3), i, j, k); // ERROR
2600     ...
2601 @end example
2602
2603 If you need to specify more than four indices, you have to use the
2604 @code{.add()} method of the @code{symmetry} class. For example, to specify
2605 full symmetry in the first six indices you would write
2606 @code{sy_symm(0, 1, 2, 3).add(4).add(5)}.
2607
2608 If an indexed object has a symmetry, GiNaC will automatically bring the
2609 indices into a canonical order which allows for some immediate simplifications:
2610
2611 @example
2612     ...
2613     cout << indexed(A, sy_symm(), i, j)
2614           + indexed(A, sy_symm(), j, i) << endl;
2615      // -> 2*A.j.i
2616     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j)
2617           + indexed(B, sy_anti(), j, i) << endl;
2618      // -> 0
2619     cout << indexed(B, sy_anti(), i, j, k)
2620           - indexed(B, sy_anti(), j, k, i) << endl;
2621      // -> 0
2622     ...
2623 @end example
2624
2625 @cindex @code{get_free_indices()}
2626 @cindex dummy index
2627 @subsection Dummy indices
2628
2629 GiNaC treats certain symbolic index pairs as @dfn{dummy indices} meaning
2630 that a summation over the index range is implied. Symbolic indices which are
2631 not dummy indices are called @dfn{free indices}. Numeric indices are neither
2632 dummy nor free indices.
2633
2634 To be recognized as a dummy index pair, the two indices must be of the same
2635 class and their value must be the same single symbol (an index like
2636 @samp{2*n+1} is never a dummy index). If the indices are of class
2637 @code{varidx} they must also be of opposite variance; if they are of class
2638 @code{spinidx} they must be both dotted or both undotted.
2639
2640 The method @code{.get_free_indices()} returns a vector containing the free
2641 indices of an expression. It also checks that the free indices of the terms
2642 of a sum are consistent:
2643
2644 @example
2645 @{
2646     symbol A("A"), B("B"), C("C");
2647
2648     symbol i_sym("i"), j_sym("j"), k_sym("k"), l_sym("l");
2649     idx i(i_sym, 3), j(j_sym, 3), k(k_sym, 3), l(l_sym, 3);
2650
2651     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, j, k) + indexed(C, k, l, i, l);
2652     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2653      // -> (.i,.k)
2654      // 'j' and 'l' are dummy indices
2655
2656     symbol mu_sym("mu"), nu_sym("nu"), rho_sym("rho"), sigma_sym("sigma");
2657     varidx mu(mu_sym, 4), nu(nu_sym, 4), rho(rho_sym, 4), sigma(sigma_sym, 4);
2658
2659     e = indexed(A, mu, nu) * indexed(B, nu.toggle_variance(), rho)
2660       + indexed(C, mu, sigma, rho, sigma.toggle_variance());
2661     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2662      // -> (~mu,~rho)
2663      // 'nu' is a dummy index, but 'sigma' is not
2664
2665     e = indexed(A, mu, mu);
2666     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl;
2667      // -> (~mu)
2668      // 'mu' is not a dummy index because it appears twice with the same
2669      // variance
2670
2671     e = indexed(A, mu, nu) + 42;
2672     cout << exprseq(e.get_free_indices()) << endl; // ERROR
2673      // this will throw an exception:
2674      // "add::get_free_indices: inconsistent indices in sum"
2675 @}
2676 @end example
2677
2678 @cindex @code{expand_dummy_sum()}
2679 A dummy index summation like 
2680 @tex
2681 $ a_i b^i$
2682 @end tex
2683 @ifnottex
2684 a.i b~i
2685 @end ifnottex
2686 can be expanded for indices with numeric
2687 dimensions (e.g. 3)  into the explicit sum like
2688 @tex
2689 $a_1b^1+a_2b^2+a_3b^3 $.
2690 @end tex
2691 @ifnottex
2692 a.1 b~1 + a.2 b~2 + a.3 b~3.
2693 @end ifnottex
2694 This is performed by the function
2695
2696 @example
2697     ex expand_dummy_sum(const ex & e, bool subs_idx = false);
2698 @end example
2699
2700 which takes an expression @code{e} and returns the expanded sum for all
2701 dummy indices with numeric dimensions. If the parameter @code{subs_idx}
2702 is set to @code{true} then all substitutions are made by @code{idx} class
2703 indices, i.e. without variance. In this case the above sum 
2704 @tex
2705 $ a_i b^i$
2706 @end tex
2707 @ifnottex
2708 a.i b~i
2709 @end ifnottex
2710 will be expanded to
2711 @tex
2712 $a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3 $.
2713 @end tex
2714 @ifnottex
2715 a.1 b.1 + a.2 b.2 + a.3 b.3.
2716 @end ifnottex
2717
2718
2719 @cindex @code{simplify_indexed()}
2720 @subsection Simplifying indexed expressions
2721
2722 In addition to the few automatic simplifications that GiNaC performs on
2723 indexed expressions (such as re-ordering the indices of symmetric tensors
2724 and calculating traces and convolutions of matrices and predefined tensors)
2725 there is the method
2726
2727 @example
2728 ex ex::simplify_indexed();
2729 ex ex::simplify_indexed(const scalar_products & sp);
2730 @end example
2731
2732 that performs some more expensive operations:
2733
2734 @itemize @bullet
2735 @item it checks the consistency of free indices in sums in the same way
2736   @code{get_free_indices()} does
2737 @item it tries to give dummy indices that appear in different terms of a sum
2738   the same name to allow simplifications like @math{a_i*b_i-a_j*b_j=0}
2739 @item it (symbolically) calculates all possible dummy index summations/contractions
2740   with the predefined tensors (this will be explained in more detail in the
2741   next section)
2742 @item it detects contractions that vanish for symmetry reasons, for example
2743   the contraction of a symmetric and a totally antisymmetric tensor
2744 @item as a special case of dummy index summation, it can replace scalar products
2745   of two tensors with a user-defined value
2746 @end itemize
2747
2748 The last point is done with the help of the @code{scalar_products} class
2749 which is used to store scalar products with known values (this is not an
2750 arithmetic class, you just pass it to @code{simplify_indexed()}):
2751
2752 @example
2753 @{
2754     symbol A("A"), B("B"), C("C"), i_sym("i");
2755     idx i(i_sym, 3);
2756
2757     scalar_products sp;
2758     sp.add(A, B, 0); // A and B are orthogonal
2759     sp.add(A, C, 0); // A and C are orthogonal
2760     sp.add(A, A, 4); // A^2 = 4 (A has length 2)
2761
2762     e = indexed(A + B, i) * indexed(A + C, i);
2763     cout << e << endl;
2764      // -> (B+A).i*(A+C).i
2765
2766     cout << e.expand(expand_options::expand_indexed).simplify_indexed(sp)
2767          << endl;
2768      // -> 4+C.i*B.i
2769 @}
2770 @end example
2771
2772 The @code{scalar_products} object @code{sp} acts as a storage for the
2773 scalar products added to it with the @code{.add()} method. This method
2774 takes three arguments: the two expressions of which the scalar product is
2775 taken, and the expression to replace it with.
2776
2777 @cindex @code{expand()}
2778 The example above also illustrates a feature of the @code{expand()} method:
2779 if passed the @code{expand_indexed} option it will distribute indices
2780 over sums, so @samp{(A+B).i} becomes @samp{A.i+B.i}.
2781
2782 @cindex @code{tensor} (class)
2783 @subsection Predefined tensors
2784
2785 Some frequently used special tensors such as the delta, epsilon and metric
2786 tensors are predefined in GiNaC. They have special properties when
2787 contracted with other tensor expressions and some of them have constant
2788 matrix representations (they will evaluate to a number when numeric
2789 indices are specified).
2790
2791 @cindex @code{delta_tensor()}
2792 @subsubsection Delta tensor
2793
2794 The delta tensor takes two indices, is symmetric and has the matrix
2795 representation @code{diag(1, 1, 1, ...)}. It is constructed by the function
2796 @code{delta_tensor()}:
2797
2798 @example
2799 @{
2800     symbol A("A"), B("B");
2801
2802     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3),
2803         k(symbol("k"), 3), l(symbol("l"), 3);
2804
2805     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(B, k, l)
2806          * delta_tensor(i, k) * delta_tensor(j, l);
2807     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2808      // -> B.i.j*A.i.j
2809
2810     cout << delta_tensor(i, i) << endl;
2811      // -> 3
2812 @}
2813 @end example
2814
2815 @cindex @code{metric_tensor()}
2816 @subsubsection General metric tensor
2817
2818 The function @code{metric_tensor()} creates a general symmetric metric
2819 tensor with two indices that can be used to raise/lower tensor indices. The
2820 metric tensor is denoted as @samp{g} in the output and if its indices are of
2821 mixed variance it is automatically replaced by a delta tensor:
2822
2823 @example
2824 @{
2825     symbol A("A");
2826
2827     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
2828
2829     ex e = metric_tensor(mu, nu) * indexed(A, nu.toggle_variance(), rho);
2830     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2831      // -> A~mu~rho
2832
2833     e = delta_tensor(mu, nu.toggle_variance()) * metric_tensor(nu, rho);
2834     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2835      // -> g~mu~rho
2836
2837     e = metric_tensor(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance())
2838       * metric_tensor(nu, rho);
2839     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2840      // -> delta.mu~rho
2841
2842     e = metric_tensor(nu.toggle_variance(), rho.toggle_variance())
2843       * metric_tensor(mu, nu) * (delta_tensor(mu.toggle_variance(), rho)
2844         + indexed(A, mu.toggle_variance(), rho));
2845     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2846      // -> 4+A.rho~rho
2847 @}
2848 @end example
2849
2850 @cindex @code{lorentz_g()}
2851 @subsubsection Minkowski metric tensor
2852
2853 The Minkowski metric tensor is a special metric tensor with a constant
2854 matrix representation which is either @code{diag(1, -1, -1, ...)} (negative
2855 signature, the default) or @code{diag(-1, 1, 1, ...)} (positive signature).
2856 It is created with the function @code{lorentz_g()} (although it is output as
2857 @samp{eta}):
2858
2859 @example
2860 @{
2861     varidx mu(symbol("mu"), 4);
2862
2863     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2864       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4));       // negative signature
2865     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2866      // -> 1
2867
2868     e = delta_tensor(varidx(0, 4), mu.toggle_variance())
2869       * lorentz_g(mu, varidx(0, 4), true); // positive signature
2870     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2871      // -> -1
2872 @}
2873 @end example
2874
2875 @cindex @code{spinor_metric()}
2876 @subsubsection Spinor metric tensor
2877
2878 The function @code{spinor_metric()} creates an antisymmetric tensor with
2879 two indices that is used to raise/lower indices of 2-component spinors.
2880 It is output as @samp{eps}:
2881
2882 @example
2883 @{
2884     symbol psi("psi");
2885
2886     spinidx A(symbol("A")), B(symbol("B")), C(symbol("C"));
2887     ex A_co = A.toggle_variance(), B_co = B.toggle_variance();
2888
2889     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, B_co);
2890     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2891      // -> psi~A
2892
2893     e = spinor_metric(A, B) * indexed(psi, A_co);
2894     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2895      // -> -psi~B
2896
2897     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, B);
2898     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2899      // -> -psi.A
2900
2901     e = spinor_metric(A_co, B_co) * indexed(psi, A);
2902     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2903      // -> psi.B
2904
2905     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(A, B);
2906     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2907      // -> 2
2908
2909     e = spinor_metric(A_co, B_co) * spinor_metric(B, C);
2910     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2911      // -> -delta.A~C
2912 @}
2913 @end example
2914
2915 The matrix representation of the spinor metric is @code{[[0, 1], [-1, 0]]}.
2916
2917 @cindex @code{epsilon_tensor()}
2918 @cindex @code{lorentz_eps()}
2919 @subsubsection Epsilon tensor
2920
2921 The epsilon tensor is totally antisymmetric, its number of indices is equal
2922 to the dimension of the index space (the indices must all be of the same
2923 numeric dimension), and @samp{eps.1.2.3...} (resp. @samp{eps~0~1~2...}) is
2924 defined to be 1. Its behavior with indices that have a variance also
2925 depends on the signature of the metric. Epsilon tensors are output as
2926 @samp{eps}.
2927
2928 There are three functions defined to create epsilon tensors in 2, 3 and 4
2929 dimensions:
2930
2931 @example
2932 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2);
2933 ex epsilon_tensor(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3);
2934 ex lorentz_eps(const ex & i1, const ex & i2, const ex & i3, const ex & i4,
2935                bool pos_sig = false);
2936 @end example
2937
2938 The first two functions create an epsilon tensor in 2 or 3 Euclidean
2939 dimensions, the last function creates an epsilon tensor in a 4-dimensional
2940 Minkowski space (the last @code{bool} argument specifies whether the metric
2941 has negative or positive signature, as in the case of the Minkowski metric
2942 tensor):
2943
2944 @example
2945 @{
2946     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4),
2947            sig(symbol("sig"), 4), lam(symbol("lam"), 4), bet(symbol("bet"), 4);
2948     e = lorentz_eps(mu, nu, rho, sig) *
2949         lorentz_eps(mu.toggle_variance(), nu.toggle_variance(), lam, bet);
2950     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2951      // -> 2*eta~bet~rho*eta~sig~lam-2*eta~sig~bet*eta~rho~lam
2952
2953     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
2954     symbol A("A"), B("B");
2955     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(B, k);
2956     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2957      // -> -B.k*A.j*eps.i.k.j
2958     e = epsilon_tensor(i, j, k) * indexed(A, j) * indexed(A, k);
2959     cout << simplify_indexed(e) << endl;
2960      // -> 0
2961 @}
2962 @end example
2963
2964 @subsection Linear algebra
2965
2966 The @code{matrix} class can be used with indices to do some simple linear
2967 algebra (linear combinations and products of vectors and matrices, traces
2968 and scalar products):
2969
2970 @example
2971 @{
2972     idx i(symbol("i"), 2), j(symbol("j"), 2);
2973     symbol x("x"), y("y");
2974
2975     // A is a 2x2 matrix, X is a 2x1 vector
2976     matrix A = @{@{1, 2@},
2977                 @{3, 4@}@};
2978     matrix X = @{@{x, y@}@};
2979
2980     cout << indexed(A, i, i) << endl;
2981      // -> 5
2982
2983     ex e = indexed(A, i, j) * indexed(X, j);
2984     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2985      // -> [[2*y+x],[4*y+3*x]].i
2986
2987     e = indexed(A, i, j) * indexed(X, i) + indexed(X, j) * 2;
2988     cout << e.simplify_indexed() << endl;
2989      // -> [[3*y+3*x,6*y+2*x]].j
2990 @}
2991 @end example
2992
2993 You can of course obtain the same results with the @code{matrix::add()},
2994 @code{matrix::mul()} and @code{matrix::trace()} methods (@pxref{Matrices})
2995 but with indices you don't have to worry about transposing matrices.
2996
2997 Matrix indices always start at 0 and their dimension must match the number
2998 of rows/columns of the matrix. Matrices with one row or one column are
2999 vectors and can have one or two indices (it doesn't matter whether it's a
3000 row or a column vector). Other matrices must have two indices.
3001
3002 You should be careful when using indices with variance on matrices. GiNaC
3003 doesn't look at the variance and doesn't know that @samp{F~mu~nu} and
3004 @samp{F.mu.nu} are different matrices. In this case you should use only
3005 one form for @samp{F} and explicitly multiply it with a matrix representation
3006 of the metric tensor.
3007
3008
3009 @node Non-commutative objects, Methods and functions, Indexed objects, Basic concepts
3010 @c    node-name, next, previous, up
3011 @section Non-commutative objects
3012
3013 GiNaC is equipped to handle certain non-commutative algebras. Three classes of
3014 non-commutative objects are built-in which are mostly of use in high energy
3015 physics:
3016
3017 @itemize
3018 @item Clifford (Dirac) algebra (class @code{clifford})
3019 @item su(3) Lie algebra (class @code{color})
3020 @item Matrices (unindexed) (class @code{matrix})
3021 @end itemize
3022
3023 The @code{clifford} and @code{color} classes are subclasses of
3024 @code{indexed} because the elements of these algebras usually carry
3025 indices. The @code{matrix} class is described in more detail in
3026 @ref{Matrices}.
3027
3028 Unlike most computer algebra systems, GiNaC does not primarily provide an
3029 operator (often denoted @samp{&*}) for representing inert products of
3030 arbitrary objects. Rather, non-commutativity in GiNaC is a property of the
3031 classes of objects involved, and non-commutative products are formed with
3032 the usual @samp{*} operator, as are ordinary products. GiNaC is capable of
3033 figuring out by itself which objects commutate and will group the factors
3034 by their class. Consider this example:
3035
3036 @example
3037     ...
3038     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3039     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8);
3040     ex e = -dirac_gamma(mu) * (2*color_T(a)) * 8 * color_T(b) * dirac_gamma(nu);
3041     cout << e << endl;
3042      // -> -16*(gamma~mu*gamma~nu)*(T.a*T.b)
3043     ...
3044 @end example
3045
3046 As can be seen, GiNaC pulls out the overall commutative factor @samp{-16} and
3047 groups the non-commutative factors (the gammas and the su(3) generators)
3048 together while preserving the order of factors within each class (because
3049 Clifford objects commutate with color objects). The resulting expression is a
3050 @emph{commutative} product with two factors that are themselves non-commutative
3051 products (@samp{gamma~mu*gamma~nu} and @samp{T.a*T.b}). For clarification,
3052 parentheses are placed around the non-commutative products in the output.
3053
3054 @cindex @code{ncmul} (class)
3055 Non-commutative products are internally represented by objects of the class
3056 @code{ncmul}, as opposed to commutative products which are handled by the
3057 @code{mul} class. You will normally not have to worry about this distinction,
3058 though.
3059
3060 The advantage of this approach is that you never have to worry about using
3061 (or forgetting to use) a special operator when constructing non-commutative
3062 expressions. Also, non-commutative products in GiNaC are more intelligent
3063 than in other computer algebra systems; they can, for example, automatically
3064 canonicalize themselves according to rules specified in the implementation
3065 of the non-commutative classes. The drawback is that to work with other than
3066 the built-in algebras you have to implement new classes yourself. Both
3067 symbols and user-defined functions can be specified as being non-commutative.
3068 For symbols, this is done by subclassing class symbol; for functions,
3069 by explicitly setting the return type (@pxref{Symbolic functions}).
3070
3071 @cindex @code{return_type()}
3072 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3073 Information about the commutativity of an object or expression can be
3074 obtained with the two member functions
3075
3076 @example
3077 unsigned      ex::return_type() const;
3078 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3079 @end example
3080
3081 The @code{return_type()} function returns one of three values (defined in
3082 the header file @file{flags.h}), corresponding to three categories of
3083 expressions in GiNaC:
3084
3085 @itemize @bullet
3086 @item @code{return_types::commutative}: Commutates with everything. Most GiNaC
3087   classes are of this kind.
3088 @item @code{return_types::noncommutative}: Non-commutative, belonging to a
3089   certain class of non-commutative objects which can be determined with the
3090   @code{return_type_tinfo()} method. Expressions of this category commutate
3091   with everything except @code{noncommutative} expressions of the same
3092   class.
3093 @item @code{return_types::noncommutative_composite}: Non-commutative, composed
3094   of non-commutative objects of different classes. Expressions of this
3095   category don't commutate with any other @code{noncommutative} or
3096   @code{noncommutative_composite} expressions.
3097 @end itemize
3098
3099 The @code{return_type_tinfo()} method returns an object of type
3100 @code{return_type_t} that contains information about the type of the expression
3101 and, if given, its representation label (see section on dirac gamma matrices for
3102 more details).  The objects of type @code{return_type_t} can be tested for
3103 equality to test whether two expressions belong to the same category and
3104 therefore may not commute.
3105
3106 Here are a couple of examples:
3107
3108 @cartouche
3109 @multitable @columnfractions .6 .4
3110 @item @strong{Expression} @tab @strong{@code{return_type()}}
3111 @item @code{42} @tab @code{commutative}
3112 @item @code{2*x-y} @tab @code{commutative}
3113 @item @code{dirac_ONE()} @tab @code{noncommutative}
3114 @item @code{dirac_gamma(mu)*dirac_gamma(nu)} @tab @code{noncommutative}
3115 @item @code{2*color_T(a)} @tab @code{noncommutative}
3116 @item @code{dirac_ONE()*color_T(a)} @tab @code{noncommutative_composite}
3117 @end multitable
3118 @end cartouche
3119
3120 A last note: With the exception of matrices, positive integer powers of
3121 non-commutative objects are automatically expanded in GiNaC. For example,
3122 @code{pow(a*b, 2)} becomes @samp{a*b*a*b} if @samp{a} and @samp{b} are
3123 non-commutative expressions).
3124
3125
3126 @cindex @code{clifford} (class)
3127 @subsection Clifford algebra
3128
3129
3130 Clifford algebras are supported in two flavours: Dirac gamma
3131 matrices (more physical) and generic Clifford algebras (more
3132 mathematical). 
3133
3134 @cindex @code{dirac_gamma()}
3135 @subsubsection Dirac gamma matrices
3136 Dirac gamma matrices (note that GiNaC doesn't treat them
3137 as matrices) are designated as @samp{gamma~mu} and satisfy
3138 @samp{gamma~mu*gamma~nu + gamma~nu*gamma~mu = 2*eta~mu~nu} where
3139 @samp{eta~mu~nu} is the Minkowski metric tensor. Dirac gammas are
3140 constructed by the function
3141
3142 @example
3143 ex dirac_gamma(const ex & mu, unsigned char rl = 0);
3144 @end example
3145
3146 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3147 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different Clifford
3148 algebras (this is also called a @dfn{spin line index}). Gammas with different
3149 labels commutate with each other. The dimension of the index can be 4 or (in
3150 the framework of dimensional regularization) any symbolic value. Spinor
3151 indices on Dirac gammas are not supported in GiNaC.
3152
3153 @cindex @code{dirac_ONE()}
3154 The unity element of a Clifford algebra is constructed by
3155
3156 @example
3157 ex dirac_ONE(unsigned char rl = 0);
3158 @end example
3159
3160 @strong{Please notice:} You must always use @code{dirac_ONE()} when referring to
3161 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3162 E.g. instead of @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m)} you have to
3163 write @code{dirac_gamma(mu)*(dirac_slash(q,4)+m*dirac_ONE())}. Otherwise,
3164 GiNaC will complain and/or produce incorrect results.
3165
3166 @cindex @code{dirac_gamma5()}
3167 There is a special element @samp{gamma5} that commutates with all other
3168 gammas, has a unit square, and in 4 dimensions equals
3169 @samp{gamma~0 gamma~1 gamma~2 gamma~3}, provided by
3170
3171 @example
3172 ex dirac_gamma5(unsigned char rl = 0);
3173 @end example
3174
3175 @cindex @code{dirac_gammaL()}
3176 @cindex @code{dirac_gammaR()}
3177 The chiral projectors @samp{(1+/-gamma5)/2} are also available as proper
3178 objects, constructed by
3179
3180 @example
3181 ex dirac_gammaL(unsigned char rl = 0);
3182 ex dirac_gammaR(unsigned char rl = 0);
3183 @end example
3184
3185 They observe the relations @samp{gammaL^2 = gammaL}, @samp{gammaR^2 = gammaR},
3186 and @samp{gammaL gammaR = gammaR gammaL = 0}.
3187
3188 @cindex @code{dirac_slash()}
3189 Finally, the function
3190
3191 @example
3192 ex dirac_slash(const ex & e, const ex & dim, unsigned char rl = 0);
3193 @end example
3194
3195 creates a term that represents a contraction of @samp{e} with the Dirac
3196 Lorentz vector (it behaves like a term of the form @samp{e.mu gamma~mu}
3197 with a unique index whose dimension is given by the @code{dim} argument).
3198 Such slashed expressions are printed with a trailing backslash, e.g. @samp{e\}.
3199
3200 In products of dirac gammas, superfluous unity elements are automatically
3201 removed, squares are replaced by their values, and @samp{gamma5}, @samp{gammaL}
3202 and @samp{gammaR} are moved to the front.
3203
3204 The @code{simplify_indexed()} function performs contractions in gamma strings,
3205 for example
3206
3207 @example
3208 @{
3209     ...
3210     symbol a("a"), b("b"), D("D");
3211     varidx mu(symbol("mu"), D);
3212     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_slash(a, D)
3213          * dirac_gamma(mu.toggle_variance());
3214     cout << e << endl;
3215      // -> gamma~mu*a\*gamma.mu
3216     e = e.simplify_indexed();
3217     cout << e << endl;
3218      // -> -D*a\+2*a\
3219     cout << e.subs(D == 4) << endl;
3220      // -> -2*a\
3221     ...
3222 @}
3223 @end example
3224
3225 @cindex @code{dirac_trace()}
3226 To calculate the trace of an expression containing strings of Dirac gammas
3227 you use one of the functions
3228
3229 @example
3230 ex dirac_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls,
3231                const ex & trONE = 4);
3232 ex dirac_trace(const ex & e, const lst & rll, const ex & trONE = 4);
3233 ex dirac_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0, const ex & trONE = 4);
3234 @end example
3235
3236 These functions take the trace over all gammas in the specified set @code{rls}
3237 or list @code{rll} of representation labels, or the single label @code{rl};
3238 gammas with other labels are left standing. The last argument to
3239 @code{dirac_trace()} is the value to be returned for the trace of the unity
3240 element, which defaults to 4.
3241
3242 The @code{dirac_trace()} function is a linear functional that is equal to the
3243 ordinary matrix trace only in @math{D = 4} dimensions. In particular, the
3244 functional is not cyclic in
3245 @tex
3246 $D \ne 4$
3247 @end tex
3248 @ifnottex
3249 @math{D != 4}
3250 @end ifnottex
3251 dimensions when acting on
3252 expressions containing @samp{gamma5}, so it's not a proper trace. This
3253 @samp{gamma5} scheme is described in greater detail in the article
3254 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization} (@ref{Bibliography}).
3255
3256 The value of the trace itself is also usually different in 4 and in
3257 @tex
3258 $D \ne 4$
3259 @end tex
3260 @ifnottex
3261 @math{D != 4}
3262 @end ifnottex
3263 dimensions:
3264
3265 @example
3266 @{
3267     // 4 dimensions
3268     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4), rho(symbol("rho"), 4);
3269     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3270            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3271     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3272      // -> -8*eta~rho~nu
3273 @}
3274 ...
3275 @{
3276     // D dimensions
3277     symbol D("D");
3278     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D), rho(symbol("rho"), D);
3279     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) *
3280            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) * dirac_gamma(rho);
3281     cout << dirac_trace(e).simplify_indexed() << endl;
3282      // -> 8*eta~rho~nu-4*eta~rho~nu*D
3283 @}
3284 @end example
3285
3286 Here is an example for using @code{dirac_trace()} to compute a value that
3287 appears in the calculation of the one-loop vacuum polarization amplitude in
3288 QED:
3289
3290 @example
3291 @{
3292     symbol q("q"), l("l"), m("m"), ldotq("ldotq"), D("D");
3293     varidx mu(symbol("mu"), D), nu(symbol("nu"), D);
3294
3295     scalar_products sp;
3296     sp.add(l, l, pow(l, 2));
3297     sp.add(l, q, ldotq);
3298
3299     ex e = dirac_gamma(mu) *
3300            (dirac_slash(l, D) + dirac_slash(q, D) + m * dirac_ONE()) *    
3301            dirac_gamma(mu.toggle_variance()) *
3302            (dirac_slash(l, D) + m * dirac_ONE());   
3303     e = dirac_trace(e).simplify_indexed(sp);
3304     e = e.collect(lst@{l, ldotq, m@});
3305     cout << e << endl;
3306      // -> (8-4*D)*l^2+(8-4*D)*ldotq+4*D*m^2
3307 @}
3308 @end example
3309
3310 The @code{canonicalize_clifford()} function reorders all gamma products that
3311 appear in an expression to a canonical (but not necessarily simple) form.
3312 You can use this to compare two expressions or for further simplifications:
3313
3314 @example
3315 @{
3316     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
3317     ex e = dirac_gamma(mu) * dirac_gamma(nu) + dirac_gamma(nu) * dirac_gamma(mu);
3318     cout << e << endl;
3319      // -> gamma~mu*gamma~nu+gamma~nu*gamma~mu
3320
3321     e = canonicalize_clifford(e);
3322     cout << e << endl;
3323      // -> 2*ONE*eta~mu~nu
3324 @}
3325 @end example
3326
3327 @cindex @code{clifford_unit()}
3328 @subsubsection A generic Clifford algebra
3329
3330 A generic Clifford algebra, i.e. a
3331 @tex
3332 $2^n$
3333 @end tex
3334 @ifnottex
3335 2^n
3336 @end ifnottex
3337 dimensional algebra with generators
3338 @tex
3339 $e_k$
3340 @end tex
3341 @ifnottex
3342 e_k
3343 @end ifnottex
3344 satisfying the identities 
3345 @tex
3346 $e_i e_j + e_j e_i = M(i, j) + M(j, i)$
3347 @end tex
3348 @ifnottex
3349 e~i e~j + e~j e~i = M(i, j) + M(j, i) 
3350 @end ifnottex
3351 for some bilinear form (@code{metric})
3352 @math{M(i, j)}, which may be non-symmetric (see arXiv:math.QA/9911180) 
3353 and contain symbolic entries. Such generators are created by the
3354 function 
3355
3356 @example
3357     ex clifford_unit(const ex & mu, const ex & metr, unsigned char rl = 0);    
3358 @end example
3359
3360 where @code{mu} should be a @code{idx} (or descendant) class object
3361 indexing the generators.
3362 Parameter @code{metr} defines the metric @math{M(i, j)} and can be
3363 represented by a square @code{matrix}, @code{tensormetric} or @code{indexed} class
3364 object. In fact, any expression either with two free indices or without
3365 indices at all is admitted as @code{metr}. In the later case an @code{indexed}
3366 object with two newly created indices with @code{metr} as its
3367 @code{op(0)} will be used.
3368 Optional parameter @code{rl} allows to distinguish different
3369 Clifford algebras, which will commute with each other. 
3370
3371 Note that the call @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} creates
3372 something very close to @code{dirac_gamma(mu)}, although
3373 @code{dirac_gamma} have more efficient simplification mechanism. 
3374 @cindex @code{get_metric()}
3375 Also, the object created by @code{clifford_unit(mu, minkmetric())} is
3376 not aware about the symmetry of its metric, see the start of the previous
3377 paragraph. A more accurate analog of 'dirac_gamma(mu)' should be
3378 specifies as follows:
3379
3380 @example
3381     clifford_unit(mu, indexed(minkmetric(),sy_symm(),varidx(symbol("i"),4),varidx(symbol("j"),4)));
3382 @end example
3383
3384 The method @code{clifford::get_metric()} returns a metric defining this
3385 Clifford number.
3386
3387 If the matrix @math{M(i, j)} is in fact symmetric you may prefer to create
3388 the Clifford algebra units with a call like that
3389
3390 @example
3391     ex e = clifford_unit(mu, indexed(M, sy_symm(), i, j));
3392 @end example
3393
3394 since this may yield some further automatic simplifications. Again, for a
3395 metric defined through a @code{matrix} such a symmetry is detected
3396 automatically. 
3397
3398 Individual generators of a Clifford algebra can be accessed in several
3399 ways. For example 
3400
3401 @example
3402 @{
3403     ... 
3404     idx i(symbol("i"), 4);
3405     realsymbol s("s");
3406     ex M = diag_matrix(lst@{1, -1, 0, s@});
3407     ex e = clifford_unit(i, M);
3408     ex e0 = e.subs(i == 0);
3409     ex e1 = e.subs(i == 1);
3410     ex e2 = e.subs(i == 2);
3411     ex e3 = e.subs(i == 3);
3412     ...
3413 @}
3414 @end example
3415
3416 will produce four anti-commuting generators of a Clifford algebra with properties
3417 @tex
3418 $e_0^2=1 $, $e_1^2=-1$,  $e_2^2=0$ and $e_3^2=s$.
3419 @end tex
3420 @ifnottex
3421 @code{pow(e0, 2) = 1}, @code{pow(e1, 2) = -1}, @code{pow(e2, 2) = 0} and
3422 @code{pow(e3, 2) = s}.
3423 @end ifnottex
3424
3425 @cindex @code{lst_to_clifford()}
3426 A similar effect can be achieved from the function
3427
3428 @example
3429     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & mu,  const ex & metr,
3430                        unsigned char rl = 0);
3431     ex lst_to_clifford(const ex & v, const ex & e);
3432 @end example
3433
3434 which converts a list or vector 
3435 @tex
3436 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3437 @end tex
3438 @ifnottex
3439 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3440 @end ifnottex
3441 into the
3442 Clifford number 
3443 @tex
3444 $v^0 e_0 + v^1 e_1 + ... + v^n e_n$
3445 @end tex
3446 @ifnottex
3447 @samp{v~0 e.0 + v~1 e.1 + ... + v~n e.n}
3448 @end ifnottex
3449 with @samp{e.k}
3450 directly supplied in the second form of the procedure. In the first form
3451 the Clifford unit @samp{e.k} is generated by the call of
3452 @code{clifford_unit(mu, metr, rl)}. 
3453 @cindex pseudo-vector
3454 If the number of components supplied
3455 by @code{v} exceeds the dimensionality of the Clifford unit @code{e} by
3456 1 then function @code{lst_to_clifford()} uses the following
3457 pseudo-vector representation: 
3458 @tex
3459 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3460 @end tex
3461 @ifnottex
3462 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3463 @end ifnottex
3464
3465 The previous code may be rewritten with the help of @code{lst_to_clifford()} as follows
3466
3467 @example
3468 @{
3469     ...
3470     idx i(symbol("i"), 4);
3471     realsymbol s("s");
3472     ex M = diag_matrix(@{1, -1, 0, s@});
3473     ex e0 = lst_to_clifford(lst@{1, 0, 0, 0@}, i, M);
3474     ex e1 = lst_to_clifford(lst@{0, 1, 0, 0@}, i, M);
3475     ex e2 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 1, 0@}, i, M);
3476     ex e3 = lst_to_clifford(lst@{0, 0, 0, 1@}, i, M);
3477   ...
3478 @}
3479 @end example
3480
3481 @cindex @code{clifford_to_lst()}
3482 There is the inverse function 
3483
3484 @example
3485     lst clifford_to_lst(const ex & e, const ex & c, bool algebraic = true);
3486 @end example
3487
3488 which takes an expression @code{e} and tries to find a list
3489 @tex
3490 $v = (v^0, v^1, ..., v^n)$
3491 @end tex
3492 @ifnottex
3493 @samp{v = (v~0, v~1, ..., v~n)} 
3494 @end ifnottex
3495 such that the expression is either vector 
3496 @tex
3497 $e = v^0 c_0 + v^1 c_1 + ... + v^n c_n$
3498 @end tex
3499 @ifnottex
3500 @samp{e = v~0 c.0 + v~1 c.1 + ... + v~n c.n}
3501 @end ifnottex
3502 or pseudo-vector 
3503 @tex
3504 $v^0 {\bf 1} + v^1 e_0 + v^2 e_1 + ... + v^{n+1} e_n$
3505 @end tex
3506 @ifnottex
3507 @samp{v~0 ONE + v~1 e.0 + v~2 e.1 + ... + v~[n+1] e.n}
3508 @end ifnottex
3509 with respect to the given Clifford units @code{c}. Here none of the
3510 @samp{v~k} should contain Clifford units @code{c} (of course, this
3511 may be impossible). This function can use an @code{algebraic} method
3512 (default) or a symbolic one. With the @code{algebraic} method the
3513 @samp{v~k} are calculated as 
3514 @tex
3515 $(e c_k + c_k e)/c_k^2$. If $c_k^2$
3516 @end tex
3517 @ifnottex
3518 @samp{(e c.k + c.k e)/pow(c.k, 2)}.   If @samp{pow(c.k, 2)} 
3519 @end ifnottex
3520 is zero or is not @code{numeric} for some @samp{k}
3521 then the method will be automatically changed to symbolic. The same effect
3522 is obtained by the assignment (@code{algebraic = false}) in the procedure call.
3523
3524 @cindex @code{clifford_prime()}
3525 @cindex @code{clifford_star()}
3526 @cindex @code{clifford_bar()}
3527 There are several functions for (anti-)automorphisms of Clifford algebras:
3528
3529 @example
3530     ex clifford_prime(const ex & e)
3531     inline ex clifford_star(const ex & e)
3532     inline ex clifford_bar(const ex & e)
3533 @end example
3534
3535 The automorphism of a Clifford algebra @code{clifford_prime()} simply
3536 changes signs of all Clifford units in the expression. The reversion
3537 of a Clifford algebra @code{clifford_star()} reverses the order of Clifford
3538 units in any product. Finally the main anti-automorphism
3539 of a Clifford algebra @code{clifford_bar()} is the composition of the
3540 previous two, i.e. it makes the reversion and changes signs of all Clifford units
3541 in a product. These functions correspond to the notations
3542 @math{e'},
3543 @tex
3544 $e^*$
3545 @end tex
3546 @ifnottex
3547 e*
3548 @end ifnottex
3549 and
3550 @tex
3551 $\overline{e}$
3552 @end tex
3553 @ifnottex
3554 @code{\bar@{e@}}
3555 @end ifnottex
3556 used in Clifford algebra textbooks.
3557
3558 @cindex @code{clifford_norm()}
3559 The function
3560
3561 @example
3562     ex clifford_norm(const ex & e);
3563 @end example
3564
3565 @cindex @code{clifford_inverse()}
3566 calculates the norm of a Clifford number from the expression
3567 @tex
3568 $||e||^2 = e\overline{e}$.
3569 @end tex
3570 @ifnottex
3571 @code{||e||^2 = e \bar@{e@}}
3572 @end ifnottex
3573  The inverse of a Clifford expression is returned by the function
3574
3575 @example
3576     ex clifford_inverse(const ex & e);
3577 @end example
3578
3579 which calculates it as 
3580 @tex
3581 $e^{-1} = \overline{e}/||e||^2$.
3582 @end tex
3583 @ifnottex
3584 @math{e^@{-1@} = \bar@{e@}/||e||^2}
3585 @end ifnottex
3586  If
3587 @tex
3588 $||e|| = 0$
3589 @end tex
3590 @ifnottex
3591 @math{||e||=0}
3592 @end ifnottex
3593 then an exception is raised.
3594
3595 @cindex @code{remove_dirac_ONE()}
3596 If a Clifford number happens to be a factor of
3597 @code{dirac_ONE()} then we can convert it to a ``real'' (non-Clifford)
3598 expression by the function
3599
3600 @example
3601     ex remove_dirac_ONE(const ex & e);
3602 @end example
3603
3604 @cindex @code{canonicalize_clifford()}
3605 The function @code{canonicalize_clifford()} works for a
3606 generic Clifford algebra in a similar way as for Dirac gammas.
3607
3608 The next provided function is
3609
3610 @cindex @code{clifford_moebius_map()}
3611 @example
3612     ex clifford_moebius_map(const ex & a, const ex & b, const ex & c,
3613                             const ex & d, const ex & v, const ex & G,
3614                             unsigned char rl = 0);
3615     ex clifford_moebius_map(const ex & M, const ex & v, const ex & G,
3616                             unsigned char rl = 0);
3617 @end example 
3618
3619 It takes a list or vector @code{v} and makes the Moebius (conformal or
3620 linear-fractional) transformation @samp{v -> (av+b)/(cv+d)} defined by
3621 the matrix @samp{M = [[a, b], [c, d]]}. The parameter @code{G} defines
3622 the metric of the surrounding (pseudo-)Euclidean space. This can be an
3623 indexed object, tensormetric, matrix or a Clifford unit, in the later
3624 case the optional parameter @code{rl} is ignored even if supplied.
3625 Depending from the type of @code{v} the returned value of this function
3626 is either a vector or a list holding vector's components.
3627
3628 @cindex @code{clifford_max_label()}
3629 Finally the function
3630
3631 @example
3632 char clifford_max_label(const ex & e, bool ignore_ONE = false);
3633 @end example
3634
3635 can detect a presence of Clifford objects in the expression @code{e}: if
3636 such objects are found it returns the maximal
3637 @code{representation_label} of them, otherwise @code{-1}. The optional
3638 parameter @code{ignore_ONE} indicates if @code{dirac_ONE} objects should
3639 be ignored during the search.
3640  
3641 LaTeX output for Clifford units looks like
3642 @code{\clifford[1]@{e@}^@{@{\nu@}@}}, where @code{1} is the
3643 @code{representation_label} and @code{\nu} is the index of the
3644 corresponding unit. This provides a flexible typesetting with a suitable
3645 definition of the @code{\clifford} command. For example, the definition
3646 @example
3647     \newcommand@{\clifford@}[1][]@{@}
3648 @end example
3649 typesets all Clifford units identically, while the alternative definition
3650 @example
3651     \newcommand@{\clifford@}[2][]@{\ifcase #1 #2\or \tilde@{#2@} \or \breve@{#2@} \fi@}
3652 @end example
3653 prints units with @code{representation_label=0} as 
3654 @tex
3655 $e$,
3656 @end tex
3657 @ifnottex
3658 @code{e},
3659 @end ifnottex
3660 with @code{representation_label=1} as 
3661 @tex
3662 $\tilde{e}$
3663 @end tex
3664 @ifnottex
3665 @code{\tilde@{e@}}
3666 @end ifnottex
3667  and with @code{representation_label=2} as 
3668 @tex
3669 $\breve{e}$.
3670 @end tex
3671 @ifnottex
3672 @code{\breve@{e@}}.
3673 @end ifnottex
3674
3675 @cindex @code{color} (class)
3676 @subsection Color algebra
3677
3678 @cindex @code{color_T()}
3679 For computations in quantum chromodynamics, GiNaC implements the base elements
3680 and structure constants of the su(3) Lie algebra (color algebra). The base
3681 elements @math{T_a} are constructed by the function
3682
3683 @example
3684 ex color_T(const ex & a, unsigned char rl = 0);
3685 @end example
3686
3687 which takes two arguments: the index and a @dfn{representation label} in the
3688 range 0 to 255 which is used to distinguish elements of different color
3689 algebras. Objects with different labels commutate with each other. The
3690 dimension of the index must be exactly 8 and it should be of class @code{idx},
3691 not @code{varidx}.
3692
3693 @cindex @code{color_ONE()}
3694 The unity element of a color algebra is constructed by
3695
3696 @example
3697 ex color_ONE(unsigned char rl = 0);
3698 @end example
3699
3700 @strong{Please notice:} You must always use @code{color_ONE()} when referring to
3701 multiples of the unity element, even though it's customary to omit it.
3702 E.g. instead of @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+1)} you have to
3703 write @code{color_T(a)*(color_T(b)*indexed(X,b)+color_ONE())}. Otherwise,
3704 GiNaC may produce incorrect results.
3705
3706 @cindex @code{color_d()}
3707 @cindex @code{color_f()}
3708 The functions
3709
3710 @example
3711 ex color_d(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3712 ex color_f(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3713 @end example
3714
3715 create the symmetric and antisymmetric structure constants @math{d_abc} and
3716 @math{f_abc} which satisfy @math{@{T_a, T_b@} = 1/3 delta_ab + d_abc T_c}
3717 and @math{[T_a, T_b] = i f_abc T_c}.
3718
3719 These functions evaluate to their numerical values,
3720 if you supply numeric indices to them. The index values should be in
3721 the range from 1 to 8, not from 0 to 7. This departure from usual conventions
3722 goes along better with the notations used in physical literature.
3723
3724 @cindex @code{color_h()}
3725 There's an additional function
3726
3727 @example
3728 ex color_h(const ex & a, const ex & b, const ex & c);
3729 @end example
3730
3731 which returns the linear combination @samp{color_d(a, b, c)+I*color_f(a, b, c)}.
3732
3733 The function @code{simplify_indexed()} performs some simplifications on
3734 expressions containing color objects:
3735
3736 @example
3737 @{
3738     ...
3739     idx a(symbol("a"), 8), b(symbol("b"), 8), c(symbol("c"), 8),
3740         k(symbol("k"), 8), l(symbol("l"), 8);
3741
3742     e = color_d(a, b, l) * color_f(a, b, k);
3743     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3744      // -> 0
3745
3746     e = color_d(a, b, l) * color_d(a, b, k);
3747     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3748      // -> 5/3*delta.k.l
3749
3750     e = color_f(l, a, b) * color_f(a, b, k);
3751     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3752      // -> 3*delta.k.l
3753
3754     e = color_h(a, b, c) * color_h(a, b, c);
3755     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3756      // -> -32/3
3757
3758     e = color_h(a, b, c) * color_T(b) * color_T(c);
3759     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3760      // -> -2/3*T.a
3761
3762     e = color_h(a, b, c) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c);
3763     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3764      // -> -8/9*ONE
3765
3766     e = color_T(k) * color_T(a) * color_T(b) * color_T(k);
3767     cout << e.simplify_indexed() << endl;
3768      // -> 1/4*delta.b.a*ONE-1/6*T.a*T.b
3769     ...
3770 @end example
3771
3772 @cindex @code{color_trace()}
3773 To calculate the trace of an expression containing color objects you use one
3774 of the functions
3775
3776 @example
3777 ex color_trace(const ex & e, const std::set<unsigned char> & rls);
3778 ex color_trace(const ex & e, const lst & rll);
3779 ex color_trace(const ex & e, unsigned char rl = 0);
3780 @end example
3781
3782 These functions take the trace over all color @samp{T} objects in the
3783 specified set @code{rls} or list @code{rll} of representation labels, or the
3784 single label @code{rl}; @samp{T}s with other labels are left standing. For
3785 example:
3786
3787 @example
3788     ...
3789     e = color_trace(4 * color_T(a) * color_T(b) * color_T(c));
3790     cout << e << endl;
3791      // -> -I*f.a.c.b+d.a.c.b
3792 @}
3793 @end example
3794
3795
3796 @node Methods and functions, Information about expressions, Non-commutative objects, Top
3797 @c    node-name, next, previous, up
3798 @chapter Methods and functions
3799 @cindex polynomial
3800
3801 In this chapter the most important algorithms provided by GiNaC will be
3802 described.  Some of them are implemented as functions on expressions,
3803 others are implemented as methods provided by expression objects.  If
3804 they are methods, there exists a wrapper function around it, so you can
3805 alternatively call it in a functional way as shown in the simple
3806 example:
3807
3808 @example
3809     ...
3810     cout << "As method:   " << sin(1).evalf() << endl;
3811     cout << "As function: " << evalf(sin(1)) << endl;
3812     ...
3813 @end example
3814
3815 @cindex @code{subs()}
3816 The general rule is that wherever methods accept one or more parameters
3817 (@var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}) the order of arguments the function
3818 wrapper accepts is the same but preceded by the object to act on
3819 (@var{object}, @var{arg1}, @var{arg2}, @dots{}).  This approach is the
3820 most natural one in an OO model but it may lead to confusion for MapleV
3821 users because where they would type @code{A:=x+1; subs(x=2,A);} GiNaC
3822 would require @code{A=x+1; subs(A,x==2);} (after proper declaration of
3823 @code{A} and @code{x}).  On the other hand, since MapleV returns 3 on
3824 @code{A:=x^2+3; coeff(A,x,0);} (GiNaC: @code{A=pow(x,2)+3;
3825 coeff(A,x,0);}) it is clear that MapleV is not trying to be consistent
3826 here.  Also, users of MuPAD will in most cases feel more comfortable
3827 with GiNaC's convention.  All function wrappers are implemented
3828 as simple inline functions which just call the corresponding method and
3829 are only provided for users uncomfortable with OO who are dead set to
3830 avoid method invocations.  Generally, nested function wrappers are much
3831 harder to read than a sequence of methods and should therefore be
3832 avoided if possible.  On the other hand, not everything in GiNaC is a
3833 method on class @code{ex} and sometimes calling a function cannot be
3834 avoided.
3835
3836 @menu
3837 * Information about expressions::
3838 * Numerical evaluation::
3839 * Substituting expressions::
3840 * Pattern matching and advanced substitutions::
3841 * Applying a function on subexpressions::
3842 * Visitors and tree traversal::
3843 * Polynomial arithmetic::           Working with polynomials.
3844 * Rational expressions::            Working with rational functions.
3845 * Symbolic differentiation::
3846 * Series expansion::                Taylor and Laurent expansion.
3847 * Symmetrization::
3848 * Built-in functions::              List of predefined mathematical functions.
3849 * Multiple polylogarithms::
3850 * Iterated integrals::
3851 * Complex expressions::
3852 * Solving linear systems of equations::
3853 * Input/output::                    Input and output of expressions.
3854 @end menu
3855
3856
3857 @node Information about expressions, Numerical evaluation, Methods and functions, Methods and functions
3858 @c    node-name, next, previous, up
3859 @section Getting information about expressions
3860
3861 @subsection Checking expression types
3862 @cindex @code{is_a<@dots{}>()}
3863 @cindex @code{is_exactly_a<@dots{}>()}
3864 @cindex @code{ex_to<@dots{}>()}
3865 @cindex Converting @code{ex} to other classes
3866 @cindex @code{info()}
3867 @cindex @code{return_type()}
3868 @cindex @code{return_type_tinfo()}
3869
3870 Sometimes it's useful to check whether a given expression is a plain number,
3871 a sum, a polynomial with integer coefficients, or of some other specific type.
3872 GiNaC provides a couple of functions for this:
3873
3874 @example
3875 bool is_a<T>(const ex & e);
3876 bool is_exactly_a<T>(const ex & e);
3877 bool ex::info(unsigned flag);
3878 unsigned ex::return_type() const;
3879 return_type_t ex::return_type_tinfo() const;
3880 @end example
3881
3882 When the test made by @code{is_a<T>()} returns true, it is safe to call
3883 one of the functions @code{ex_to<T>()}, where @code{T} is one of the
3884 class names (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). For
3885 example, assuming @code{e} is an @code{ex}:
3886
3887 @example
3888 @{
3889     @dots{}
3890     if (is_a<numeric>(e))
3891         numeric n = ex_to<numeric>(e);
3892     @dots{}
3893 @}
3894 @end example
3895
3896 @code{is_a<T>(e)} allows you to check whether the top-level object of
3897 an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC class @samp{T}
3898 (@xref{The class hierarchy}, for a list of all classes). This is most useful,
3899 e.g., for checking whether an expression is a number, a sum, or a product:
3900
3901 @example
3902 @{
3903     symbol x("x");
3904     ex e1 = 42;
3905     ex e2 = 4*x - 3;
3906     is_a<numeric>(e1);  // true
3907     is_a<numeric>(e2);  // false
3908     is_a<add>(e1);      // false
3909     is_a<add>(e2);      // true
3910     is_a<mul>(e1);      // false
3911     is_a<mul>(e2);      // false
3912 @}
3913 @end example
3914
3915 In contrast, @code{is_exactly_a<T>(e)} allows you to check whether the
3916 top-level object of an expression @samp{e} is an instance of the GiNaC
3917 class @samp{T}, not including parent classes.
3918
3919 The @code{info()} method is used for checking certain attributes of
3920 expressions. The possible values for the @code{flag} argument are defined
3921 in @file{ginac/flags.h}, the most important being explained in the following
3922 table:
3923
3924 @cartouche
3925 @multitable @columnfractions .30 .70
3926 @item @strong{Flag} @tab @strong{Returns true if the object is@dots{}}
3927 @item @code{numeric}
3928 @tab @dots{}a number (same as @code{is_a<numeric>(...)})
3929 @item @code{real}
3930 @tab @dots{}a real number, symbol or constant (i.e. is not complex)
3931 @item @code{rational}
3932 @tab @dots{}an exact rational number (integers are rational, too)
3933 @item @code{integer}
3934 @tab @dots{}a (non-complex) integer
3935 @item @code{crational}
3936 @tab @dots{}an exact (complex) rational number (such as @math{2/3+7/2*I})
3937 @item @code{cinteger}
3938 @tab @dots{}a (complex) integer (such as @math{2-3*I})
3939 @item @code{positive}
3940 @tab @dots{}not complex and greater than 0
3941 @item @code{negative}
3942 @tab @dots{}not complex and less than 0
3943 @item @code{nonnegative}
3944 @tab @dots{}not complex and greater than or equal to 0
3945 @item @code{posint}
3946 @tab @dots{}an integer greater than 0
3947 @item @code{negint}
3948 @tab @dots{}an integer less than 0
3949 @item @code{nonnegint}
3950 @tab @dots{}an integer greater than or equal to 0
3951 @item @code{even}
3952 @tab @dots{}an even integer
3953 @item @code{odd}
3954 @tab @dots{}an odd integer
3955 @item @code{prime}
3956 @tab @dots{}a prime integer (probabilistic primality test)
3957 @item @code{relation}
3958 @tab @dots{}a relation (same as @code{is_a<relational>(...)})
3959 @item @code{relation_equal}
3960 @tab @dots{}a @code{==} relation
3961 @item @code{relation_not_equal}
3962 @tab @dots{}a @code{!=} relation
3963 @item @code{relation_less}
3964 @tab @dots{}a @code{<} relation
3965 @item @code{relation_less_or_equal}
3966 @tab @dots{}a @code{<=} relation
3967 @item @code{relation_greater}
3968 @tab @dots{}a @code{>} relation
3969 @item @code{relation_greater_or_equal}
3970 @tab @dots{}a @code{>=} relation
3971 @item @code{symbol}
3972 @tab @dots{}a symbol (same as @code{is_a<symbol>(...)})
3973 @item @code{list}
3974 @tab @dots{}a list (same as @code{is_a<lst>(...)})
3975 @item @code{polynomial}
3976 @tab @dots{}a polynomial (i.e. only consists of sums and products of numbers and symbols with positive integer powers)
3977 @item @code{integer_polynomial}
3978 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) integer coefficients
3979 @item @code{cinteger_polynomial}
3980 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) integer coefficients (such as @math{2-3*I})
3981 @item @code{rational_polynomial}
3982 @tab @dots{}a polynomial with (non-complex) rational coefficients
3983 @item @code{crational_polynomial}
3984 @tab @dots{}a polynomial with (possibly complex) rational coefficients (such as @math{2/3+7/2*I})
3985 @item @code{rational_function}
3986 @tab @dots{}a rational function (@math{x+y}, @math{z/(x+y)})
3987 @end multitable
3988 @end cartouche
3989
3990 To determine whether an expression is commutative or non-commutative and if
3991 so, with which other expressions it would commutate, you use the methods
3992 @code{return_type()} and @code{return_type_tinfo()}. @xref{Non-commutative objects},
3993 for an explanation of these.
3994
3995
3996 @subsection Accessing subexpressions
3997 @cindex container
3998
3999 Many GiNaC classes, like @code{add}, @code{mul}, @code{lst}, and
4000 @code{function}, act as containers for subexpressions. For example, the
4001 subexpressions of a sum (an @code{add} object) are the individual terms,
4002 and the subexpressions of a @code{function} are the function's arguments.
4003
4004 @cindex @code{nops()}
4005 @cindex @code{op()}
4006 GiNaC provides several ways of accessing subexpressions. The first way is to
4007 use the two methods
4008
4009 @example
4010 size_t ex::nops();
4011 ex ex::op(size_t i);
4012 @end example
4013
4014 @code{nops()} determines the number of subexpressions (operands) contained
4015 in the expression, while @code{op(i)} returns the @code{i}-th
4016 (0..@code{nops()-1}) subexpression. In the case of a @code{power} object,
4017 @code{op(0)} will return the basis and @code{op(1)} the exponent. For
4018 @code{indexed} objects, @code{op(0)} is the base expression and @code{op(i)},
4019 @math{i>0} are the indices.
4020
4021 @cindex iterators
4022 @cindex @code{const_iterator}
4023 The second way to access subexpressions is via the STL-style random-access
4024 iterator class @code{const_iterator} and the methods
4025
4026 @example
4027 const_iterator ex::begin();
4028 const_iterator ex::end();
4029 @end example
4030
4031 @code{begin()} returns an iterator referring to the first subexpression;
4032 @code{end()} returns an iterator which is one-past the last subexpression.
4033 If the expression has no subexpressions, then @code{begin() == end()}. These
4034 iterators can also be used in conjunction with non-modifying STL algorithms.
4035
4036 Here is an example that (non-recursively) prints the subexpressions of a
4037 given expression in three different ways:
4038
4039 @example
4040 @{
4041     ex e = ...
4042
4043     // with nops()/op()
4044     for (size_t i = 0; i != e.nops(); ++i)
4045         cout << e.op(i) << endl;
4046
4047     // with iterators
4048     for (const_iterator i = e.begin(); i != e.end(); ++i)
4049         cout << *i << endl;
4050
4051     // with iterators and STL copy()
4052     std::copy(e.begin(), e.end(), std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4053 @}
4054 @end example
4055
4056 @cindex @code{const_preorder_iterator}
4057 @cindex @code{const_postorder_iterator}
4058 @code{op()}/@code{nops()} and @code{const_iterator} only access an
4059 expression's immediate children. GiNaC provides two additional iterator
4060 classes, @code{const_preorder_iterator} and @code{const_postorder_iterator},
4061 that iterate over all objects in an expression tree, in preorder or postorder,
4062 respectively. They are STL-style forward iterators, and are created with the
4063 methods
4064
4065 @example
4066 const_preorder_iterator ex::preorder_begin();
4067 const_preorder_iterator ex::preorder_end();
4068 const_postorder_iterator ex::postorder_begin();
4069 const_postorder_iterator ex::postorder_end();
4070 @end example
4071
4072 The following example illustrates the differences between
4073 @code{const_iterator}, @code{const_preorder_iterator}, and
4074 @code{const_postorder_iterator}:
4075
4076 @example
4077 @{
4078     symbol A("A"), B("B"), C("C");
4079     ex e = lst@{lst@{A, B@}, C@};
4080
4081     std::copy(e.begin(), e.end(),
4082               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4083     // @{A,B@}
4084     // C
4085
4086     std::copy(e.preorder_begin(), e.preorder_end(),
4087               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4088     // @{@{A,B@},C@}
4089     // @{A,B@}
4090     // A
4091     // B
4092     // C
4093
4094     std::copy(e.postorder_begin(), e.postorder_end(),
4095               std::ostream_iterator<ex>(cout, "\n"));
4096     // A
4097     // B
4098     // @{A,B@}
4099     // C
4100     // @{@{A,B@},C@}
4101 @}
4102 @end example
4103
4104 @cindex @code{relational} (class)
4105 Finally, the left-hand side and right-hand side expressions of objects of
4106 class @code{relational} (and only of these) can also be accessed with the
4107 methods
4108
4109 @example
4110 ex ex::lhs();
4111 ex ex::rhs();
4112 @end example
4113
4114
4115 @subsection Comparing expressions
4116 @cindex @code{is_equal()}
4117 @cindex @code{is_zero()}
4118
4119 Expressions can be compared with the usual C++ relational operators like
4120 @code{==}, @code{>}, and @code{<} but if the expressions contain symbols,
4121 the result is usually not determinable and the result will be @code{false},
4122 except in the case of the @code{!=} operator. You should also be aware that
4123 GiNaC will only do the most trivial test for equality (subtracting both
4124 expressions), so something like @code{(pow(x,2)+x)/x==x+1} will return
4125 @code{false}.
4126
4127 Actually, if you construct an expression like @code{a == b}, this will be
4128 represented by an object of the @code{relational} class (@pxref{Relations})
4129 which is not evaluated until (explicitly or implicitly) cast to a @code{bool}.
4130
4131 There are also two methods
4132
4133 @example
4134 bool ex::is_equal(const ex & other);
4135 bool ex::is_zero();
4136 @end example
4137
4138 for checking whether one expression is equal to another, or equal to zero,
4139 respectively. See also the method @code{ex::is_zero_matrix()}, 
4140 @pxref{Matrices}. 
4141
4142
4143 @subsection Ordering expressions
4144 @cindex @code{ex_is_less} (class)
4145 @cindex @code{ex_is_equal} (class)
4146 @cindex @code{compare()}
4147
4148 Sometimes it is necessary to establish a mathematically well-defined ordering
4149 on a set of arbitrary expressions, for example to use expressions as keys
4150 in a @code{std::map<>} container, or to bring a vector of expressions into
4151 a canonical order (which is done internally by GiNaC for sums and products).
4152
4153 The operators @code{<}, @code{>} etc. described in the last section cannot
4154 be used for this, as they don't implement an ordering relation in the
4155 mathematical sense. In particular, they are not guaranteed to be
4156 antisymmetric: if @samp{a} and @samp{b} are different expressions, and
4157 @code{a < b} yields @code{false}, then @code{b < a} doesn't necessarily
4158 yield @code{true}.
4159
4160 By default, STL classes and algorithms use the @code{<} and @code{==}
4161 operators to compare objects, which are unsuitable for expressions, but GiNaC
4162 provides two functors that can be supplied as proper binary comparison
4163 predicates to the STL:
4164
4165 @example
4166 class ex_is_less @{
4167 public:
4168     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4169 @};
4170
4171 class ex_is_equal @{
4172 public:
4173     bool operator()(const ex &lh, const ex &rh) const;
4174 @};
4175 @end example
4176
4177 For example, to define a @code{map} that maps expressions to strings you
4178 have to use
4179
4180 @example
4181 std::map<ex, std::string, ex_is_less> myMap;
4182 @end example
4183
4184 Omitting the @code{ex_is_less} template parameter will introduce spurious
4185 bugs because the map operates improperly.
4186
4187 Other examples for the use of the functors:
4188
4189 @example
4190 std::vector<ex> v;
4191 // fill vector
4192 ...
4193
4194 // sort vector
4195 std::sort(v.begin(), v.end(), ex_is_less());
4196
4197 // count the number of expressions equal to '1'
4198 unsigned num_ones = std::count_if(v.begin(), v.end(),
4199                                   [](const ex& e) @{ return ex_is_equal()(e, 1); @});
4200 @end example
4201
4202 The implementation of @code{ex_is_less} uses the member function
4203
4204 @example
4205 int ex::compare(const ex & other) const;
4206 @end example
4207
4208 which returns @math{0} if @code{*this} and @code{other} are equal, @math{-1}
4209 if @code{*this} sorts before @code{other}, and @math{1} if @code{*this} sorts
4210 after @code{other}.
4211
4212
4213 @node Numerical evaluation, Substituting expressions, Information about expressions, Methods and functions
4214 @c    node-name, next, previous, up
4215 @section Numerical evaluation
4216 @cindex @code{evalf()}
4217
4218 GiNaC keeps algebraic expressions, numbers and constants in their exact form.
4219 To evaluate them using floating-point arithmetic you need to call
4220
4221 @example
4222 ex ex::evalf() const;
4223 @end example
4224
4225 @cindex @code{Digits}
4226 The accuracy of the evaluation is controlled by the global object @code{Digits}
4227 which can be assigned an integer value. The default value of @code{Digits}
4228 is 17. @xref{Numbers}, for more information and examples.
4229
4230 To evaluate an expression to a @code{double} floating-point number you can
4231 call @code{evalf()} followed by @code{numeric::to_double()}, like this:
4232
4233 @example
4234 @{
4235     // Approximate sin(x/Pi)
4236     symbol x("x");
4237     ex e = series(sin(x/Pi), x == 0, 6);
4238
4239     // Evaluate numerically at x=0.1
4240     ex f = evalf(e.subs(x == 0.1));
4241
4242     // ex_to<numeric> is an unsafe cast, so check the type first
4243     if (is_a<numeric>(f)) @{
4244         double d = ex_to<numeric>(f).to_double();
4245         cout << d << endl;
4246          // -> 0.0318256
4247     @} else
4248         // error
4249 @}
4250 @end example
4251
4252
4253 @node Substituting expressions, Pattern matching and advanced substitutions, Numerical evaluation, Methods and functions
4254 @c    node-name, next, previous, up
4255 @section Substituting expressions
4256 @cindex @code{subs()}
4257
4258 Algebraic objects inside expressions can be replaced with arbitrary
4259 expressions via the @code{.subs()} method:
4260
4261 @example
4262 ex ex::subs(const ex & e, unsigned options = 0);
4263 ex ex::subs(const exmap & m, unsigned options = 0);
4264 ex ex::subs(const lst & syms, const lst & repls, unsigned options = 0);
4265 @end example
4266
4267 In the first form, @code{subs()} accepts a relational of the form
4268 @samp{object == expression} or a @code{lst} of such relationals:
4269
4270 @example
4271 @{
4272     symbol x("x"), y("y");
4273
4274     ex e1 = 2*x*x-4*x+3;
4275     cout << "e1(7) = " << e1.subs(x == 7) << endl;
4276      // -> 73
4277
4278     ex e2 = x*y + x;
4279     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x == -2, y == 4@}) << endl;
4280      // -> -10
4281 @}
4282 @end example
4283
4284 If you specify multiple substitutions, they are performed in parallel, so e.g.
4285 @code{subs(lst@{x == y, y == x@})} exchanges @samp{x} and @samp{y}.
4286
4287 The second form of @code{subs()} takes an @code{exmap} object which is a
4288 pair associative container that maps expressions to expressions (currently
4289 implemented as a @code{std::map}). This is the most efficient one of the
4290 three @code{subs()} forms and should be used when the number of objects to
4291 be substituted is large or unknown.
4292
4293 Using this form, the second example from above would look like this:
4294
4295 @example
4296 @{
4297     symbol x("x"), y("y");
4298     ex e2 = x*y + x;
4299
4300     exmap m;
4301     m[x] = -2;
4302     m[y] = 4;
4303     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(m) << endl;
4304 @}
4305 @end example
4306
4307 The third form of @code{subs()} takes two lists, one for the objects to be
4308 replaced and one for the expressions to be substituted (both lists must
4309 contain the same number of elements). Using this form, you would write
4310
4311 @example
4312 @{
4313     symbol x("x"), y("y");
4314     ex e2 = x*y + x;
4315
4316     cout << "e2(-2, 4) = " << e2.subs(lst@{x, y@}, lst@{-2, 4@}) << endl;
4317 @}
4318 @end example
4319
4320 The optional last argument to @code{subs()} is a combination of
4321 @code{subs_options} flags. There are three options available:
4322 @code{subs_options::no_pattern} disables pattern matching, which makes
4323 large @code{subs()} operations significantly faster if you are not using
4324 patterns. The second option, @code{subs_options::algebraic} enables
4325 algebraic substitutions in products and powers.
4326 @xref{Pattern matching and advanced substitutions}, for more information
4327 about patterns and algebraic substitutions. The third option,
4328 @code{subs_options::no_index_renaming} disables the feature that dummy
4329 indices are renamed if the substitution could give a result in which a
4330 dummy index occurs more than two times. This is sometimes necessary if
4331 you want to use @code{subs()} to rename your dummy indices.
4332
4333 @code{subs()} performs syntactic substitution of any complete algebraic
4334 object; it does not try to match sub-expressions as is demonstrated by the
4335 following example:
4336
4337 @example
4338 @{
4339     symbol x("x"), y("y"), z("z");
4340
4341     ex e1 = pow(x+y, 2);
4342     cout << e1.subs(x+y == 4) << endl;
4343      // -> 16
4344
4345     ex e2 = sin(x)*sin(y)*cos(x);
4346     cout << e2.subs(sin(x) == cos(x)) << endl;
4347      // -> cos(x)^2*sin(y)
4348
4349     ex e3 = x+y+z;
4350     cout << e3.subs(x+y == 4) << endl;
4351      // -> x+y+z
4352      // (and not 4+z as one might expect)
4353 @}
4354 @end example
4355
4356 A more powerful form of substitution using wildcards is described in the
4357 next section.
4358
4359
4360 @node Pattern matching and advanced substitutions, Applying a function on subexpressions, Substituting expressions, Methods and functions
4361 @c    node-name, next, previous, up
4362 @section Pattern matching and advanced substitutions
4363 @cindex @code{wildcard} (class)
4364 @cindex Pattern matching
4365
4366 GiNaC allows the use of patterns for checking whether an expression is of a
4367 certain form or contains subexpressions of a certain form, and for
4368 substituting expressions in a more general way.
4369
4370 A @dfn{pattern} is an algebraic expression that optionally contains wildcards.
4371 A @dfn{wildcard} is a special kind of object (of class @code{wildcard}) that
4372 represents an arbitrary expression. Every wildcard has a @dfn{label} which is
4373 an unsigned integer number to allow having multiple different wildcards in a
4374 pattern. Wildcards are printed as @samp{$label} (this is also the way they
4375 are specified in @command{ginsh}). In C++ code, wildcard objects are created
4376 with the call
4377
4378 @example
4379 ex wild(unsigned label = 0);
4380 @end example
4381
4382 which is simply a wrapper for the @code{wildcard()} constructor with a shorter
4383 name.
4384
4385 Some examples for patterns:
4386
4387 @multitable @columnfractions .5 .5
4388 @item @strong{Constructed as} @tab @strong{Output as}
4389 @item @code{wild()} @tab @samp{$0}
4390 @item @code{pow(x,wild())} @tab @samp{x^$0}
4391 @item @code{atan2(wild(1),wild(2))} @tab @samp{atan2($1,$2)}
4392 @item @code{indexed(A,idx(wild(),3))} @tab @samp{A.$0}
4393 @end multitable
4394
4395 Notes:
4396
4397 @itemize @bullet
4398 @item Wildcards behave like symbols and are subject to the same algebraic
4399   rules. E.g., @samp{$0+2*$0} is automatically transformed to @samp{3*$0}.
4400 @item As shown in the last example, to use wildcards for indices you have to
4401   use them as the value of an @code{idx} object. This is because indices must
4402   always be of class @code{idx} (or a subclass).
4403 @item Wildcards only represent expressions or subexpressions. It is not
4404   possible to use them as placeholders for other properties like index
4405   dimension or variance, representation labels, symmetry of indexed objects
4406   etc.
4407 @item Because wildcards are commutative, it is not possible to use wildcards
4408   as part of noncommutative products.
4409 @item A pattern does not have to contain wildcards. @samp{x} and @samp{x+y}
4410   are also valid patterns.
4411 @end itemize
4412
4413 @subsection Matching expressions
4414 @cindex @code{match()}
4415 The most basic application of patterns is to check whether an expression
4416 matches a given pattern. This is done by the function
4417
4418 @example
4419 bool ex::match(const ex & pattern);
4420 bool ex::match(const ex & pattern, exmap& repls);
4421 @end example
4422
4423 This function returns @code{true} when the expression matches the pattern
4424 and @code{false} if it doesn't. If used in the second form, the actual
4425 subexpressions matched by the wildcards get returned in the associative
4426 array @code{repls} with @samp{wildcard} as a key. If @code{match()}
4427 returns false,  @code{repls} remains unmodified.
4428
4429 The matching algorithm works as follows:
4430
4431 @itemize
4432 @item A single wildcard matches any expression. If one wildcard appears
4433   multiple times in a pattern, it must match the same expression in all
4434   places (e.g. @samp{$0} matches anything, and @samp{$0*($0+1)} matches
4435   @samp{x*(x+1)} but not @samp{x*(y+1)}).
4436 @item If the expression is not of the same class as the pattern, the match
4437   fails (i.e. a sum only matches a sum, a function only matches a function,
4438   etc.).
4439 @item If the pattern is a function, it only matches the same function
4440   (i.e. @samp{sin($0)} matches @samp{sin(x)} but doesn't match @samp{exp(x)}).
4441 @item Except for sums and products, the match fails if the number of
4442   subexpressions (@code{nops()}) is not equal to the number of subexpressions
4443   of the pattern.
4444 @item If there are no subexpressions, the expressions and the pattern must
4445   be equal (in the sense of @code{is_equal()}).
4446 @item Except for sums and products, each subexpression (@code{op()}) must
4447   match the corresponding subexpression of the pattern.
4448 @end itemize
4449
4450 Sums (@code{add}) and products (@code{mul}) are treated in a special way to
4451 account for their commutativity and associativity:
4452
4453 @itemize
4454 @item If the pattern contains a term or factor that is a single wildcard,
4455   this one is used as the @dfn{global wildcard}. If there is more than one
4456   such wildcard, one of them is chosen as the global wildcard in a random
4457   way.
4458 @item Every term/factor of the pattern, except the global wildcard, is
4459   matched against every term of the expression in sequence. If no match is
4460   found, the whole match fails. Terms that did match are not considered in
4461   further matches.
4462 @item If there are no unmatched terms left, the match succeeds. Otherwise
4463   the match fails unless there is a global wildcard in the pattern, in
4464   which case this wildcard matches the remaining terms.
4465 @end itemize
4466
4467 In general, having more than one single wildcard as a term of a sum or a
4468 factor of a product (such as @samp{a+$0+$1}) will lead to unpredictable or
4469 ambiguous results.
4470
4471 Here are some examples in @command{ginsh} to demonstrate how it works (the
4472 @code{match()} function in @command{ginsh} returns @samp{FAIL} if the
4473 match fails, and the list of wildcard replacements otherwise):
4474
4475 @example
4476 > match((x+y)^a,(x+y)^a);
4477 @{@}
4478 > match((x+y)^a,(x+y)^b);
4479 FAIL
4480 > match((x+y)^a,$1^$2);
4481 @{$1==x+y,$2==a@}
4482 > match((x+y)^a,$1^$1);
4483 FAIL
4484 > match((x+y)^(x+y),$1^$1);
4485 @{$1==x+y@}
4486 > match((x+y)^(x+y),$1^$2);
4487 @{$1==x+y,$2==x+y@}
4488 > match((a+b)*(a+c),($1+b)*($1+c));
4489 @{$1==a@}
4490 > match((a+b)*(a+c),(a+$1)*(a+$2));
4491 @{$1==b,$2==c@}
4492   (Unpredictable. The result might also be [$1==c,$2==b].)
4493 > match((a+b)*(a+c),($1+$2)*($1+$3));
4494   (The result is undefined. Due to the sequential nature of the algorithm
4495    and the re-ordering of terms in GiNaC, the match for the first factor
4496    may be @{$1==a,$2==b@} in which case the match for the second factor
4497    succeeds, or it may be @{$1==b,$2==a@} which causes the second match to
4498    fail.)
4499 > match(a*(x+y)+a*z+b,a*$1+$2);
4500   (This is also ambiguous and may return either @{$1==z,$2==a*(x+y)+b@} or
4501    @{$1=x+y,$2=a*z+b@}.)
4502 > match(a+b+c+d+e+f,c);
4503 FAIL
4504 > match(a+b+c+d+e+f,c+$0);
4505 @{$0==a+e+b+f+d@}
4506 > match(a+b+c+d+e+f,c+e+$0);
4507 @{$0==a+b+f+d@}
4508 > match(a+b,a+b+$0);
4509 @{$0==0@}
4510 > match(a*b^2,a^$1*b^$2);
4511 FAIL
4512   (The matching is syntactic, not algebraic, and "a" doesn't match "a^$1"
4513    even though a==a^1.)
4514 > match(x*atan2(x,x^2),$0*atan2($0,$0^2));
4515 @{$0==x@}
4516 > match(atan2(y,x^2),atan2(y,$0));
4517 @{$0==x^2@}
4518 @end example
4519
4520 @subsection Matching parts of expressions
4521 @cindex @code{has()}
4522 A more general way to look for patterns in expressions is provided by the
4523 member function
4524
4525 @example
4526 bool ex::has(const ex & pattern);
4527 @end example
4528
4529 This function checks whether a pattern is matched by an expression itself or
4530 by any of its subexpressions.
4531
4532 Again some examples in @command{ginsh} for illustration (in @command{ginsh},
4533 @code{has()} returns @samp{1} for @code{true} and @samp{0} for @code{false}):
4534
4535 @example
4536 > has(x*sin(x+y+2*a),y);
4537 1
4538 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y);
4539 0
4540   (This is because in GiNaC, "x+y" is not a subexpression of "x+y+2*a" (which
4541    has the subexpressions "x", "y" and "2*a".)
4542 > has(x*sin(x+y+2*a),x+y+$1);
4543 1
4544   (But this is possible.)
4545 > has(x*sin(2*(x+y)+2*a),x+y);
4546 0
4547   (This fails because "2*(x+y)" automatically gets converted to "2*x+2*y" of
4548    which "x+y" is not a subexpression.)
4549 > has(x+1,x^$1);
4550 0
4551   (Although x^1==x and x^0==1, neither "x" nor "1" are actually of the form
4552    "x^something".)
4553 > has(4*x^2-x+3,$1*x);
4554 1
4555 > has(4*x^2+x+3,$1*x);
4556 0
4557   (Another possible pitfall. The first expression matches because the term
4558    "-x" has the form "(-1)*x" in GiNaC. To check whether a polynomial
4559    contains a linear term you should use the coeff() function instead.)
4560 @end example
4561
4562 @cindex @code{find()}
4563 The method
4564
4565 @example
4566 bool ex::find(const ex & pattern, exset& found);
4567 @end example
4568
4569 works a bit like @code{has()} but it doesn't stop upon finding the first
4570 match. Instead, it appends all found matches to the specified list. If there
4571 are multiple occurrences of the same expression, it is entered only once to
4572 the list. @code{find()} returns false if no matches were found (in
4573 @command{ginsh}, it returns an empty list):
4574
4575 @example
4576 > find(1+x+x^2+x^3,x);
4577 @{x@}
4578 > find(1+x+x^2+x^3,y);
4579 @{@}
4580 > find(1+x+x^2+x^3,x^$1);
4581 @{x^3,x^2@}
4582   (Note the absence of "x".)
4583 > expand((sin(x)+sin(y))*(a+b));
4584 sin(y)*a+sin(x)*b+sin(x)*a+sin(y)*b
4585 > find(%,sin($1));
4586 @{sin(y),sin(x)@}
4587 @end example
4588
4589 @subsection Substituting expressions
4590 @cindex @code{subs()}
4591 Probably the most useful application of patterns is to use them for
4592 substituting expressions with the @code{subs()} method. Wildcards can be
4593 used in the search patterns as well as in the replacement expressions, where
4594 they get replaced by the expressions matched by them. @code{subs()} doesn't
4595 know anything about algebra; it performs purely syntactic substitutions.
4596
4597 Some examples:
4598
4599 @example
4600 > subs(a^2+b^2+(x+y)^2,$1^2==$1^3);
4601 b^3+a^3+(x+y)^3
4602 > subs(a^4+b^4+(x+y)^4,$1^2==$1^3);
4603 b^4+a^4+(x+y)^4
4604 > subs((a+b+c)^2,a+b==x);
4605 (a+b+c)^2
4606 > subs((a+b+c)^2,a+b+$1==x+$1);
4607 (x+c)^2
4608 > subs(a+2*b,a+b==x);
4609 a+2*b
4610 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x==a);
4611 -1+5*a-2*a^2+4*a^3
4612 > subs(4*x^3-2*x^2+5*x-1,x^$0==a^$0);
4613 -1+5*x-2*a^2+4*a^3
4614 > subs(sin(1+sin(x)),sin($1)==cos($1));
4615 cos(1+cos(x))
4616 > expand(subs(a*sin(x+y)^2+a*cos(x+y)^2+b,cos($1)^2==1-sin($1)^2));
4617 a+b
4618 @end example
4619
4620 The last example would be written in C++ in this way:
4621
4622 @example
4623 @{
4624     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
4625     e = a*pow(sin(x+y), 2) + a*pow(cos(x+y), 2) + b;
4626     e = e.subs(pow(cos(wild()), 2) == 1-pow(sin(wild()), 2));
4627     cout << e.expand() << endl;
4628      // -> a+b
4629 @}
4630 @end example
4631
4632 @subsection The option algebraic
4633 Both @code{has()} and @code{subs()} take an optional argument to pass them
4634 extra options. This section describes what happens if you give the former
4635 the option @code{has_options::algebraic} or the latter
4636 @code{subs_options::algebraic}. In that case the matching condition for
4637 powers and multiplications is changed in such a way that they become
4638 more intuitive. Intuition says that @code{x*y} is a part of @code{x*y*z}.
4639 If you use these options you will find that
4640 @code{(x*y*z).has(x*y, has_options::algebraic)} indeed returns true.
4641 Besides matching some of the factors of a product also powers match as
4642 often as is possible without getting negative exponents. For example
4643 @code{(x^5*y^2*z).subs(x^2*y^2==c, subs_options::algebraic)} will return
4644 @code{x*c^2*z}. This also works with negative powers:
4645 @code{(x^(-3)*y^(-2)*z).subs(1/(x*y)==c, subs_options::algebraic)} will
4646 return @code{x^(-1)*c^2*z}. 
4647
4648 @strong{Please notice:} this only works for multiplications
4649 and not for locating @code{x+y} within @code{x+y+z}.
4650
4651
4652 @node Applying a function on subexpressions, Visitors and tree traversal, Pattern matching and advanced substitutions, Methods and functions
4653 @c    node-name, next, previous, up
4654 @section Applying a function on subexpressions
4655 @cindex tree traversal
4656 @cindex @code{map()}
4657
4658 Sometimes you may want to perform an operation on specific parts of an
4659 expression while leaving the general structure of it intact. An example
4660 of this would be a matrix trace operation: the trace of a sum is the sum
4661 of the traces of the individual terms. That is, the trace should @dfn{map}
4662 on the sum, by applying itself to each of the sum's operands. It is possible
4663 to do this manually which usually results in code like this:
4664
4665 @example
4666 ex calc_trace(ex e)
4667 @{
4668     if (is_a<matrix>(e))
4669         return ex_to<matrix>(e).trace();
4670     else if (is_a<add>(e)) @{
4671         ex sum = 0;
4672         for (size_t i=0; i<e.nops(); i++)
4673             sum += calc_trace(e.op(i));
4674         return sum;
4675     @} else if (is_a<mul>)(e)) @{
4676         ...
4677     @} else @{
4678         ...
4679     @}
4680 @}
4681 @end example
4682
4683 This is, however, slightly inefficient (if the sum is very large it can take
4684 a long time to add the terms one-by-one), and its applicability is limited to
4685 a rather small class of expressions. If @code{calc_trace()} is called with
4686 a relation or a list as its argument, you will probably want the trace to
4687 be taken on both sides of the relation or of all elements of the list.
4688
4689 GiNaC offers the @code{map()} method to aid in the implementation of such
4690 operations:
4691
4692 @example
4693 ex ex::map(map_function & f) const;
4694 ex ex::map(ex (*f)(const ex & e)) const;
4695 @end example
4696
4697 In the first (preferred) form, @code{map()} takes a function object that
4698 is subclassed from the @code{map_function} class. In the second form, it
4699 takes a pointer to a function that accepts and returns an expression.
4700 @code{map()} constructs a new expression of the same type, applying the
4701 specified function on all subexpressions (in the sense of @code{op()}),
4702 non-recursively.
4703
4704 The use of a function object makes it possible to supply more arguments to
4705 the function that is being mapped, or to keep local state information.
4706 The @code{map_function} class declares a virtual function call operator
4707 that you can overload. Here is a sample implementation of @code{calc_trace()}
4708 that uses @code{map()} in a recursive fashion:
4709
4710 @example
4711 struct calc_trace : public map_function @{
4712     ex operator()(const ex &e)
4713     @{
4714         if (is_a<matrix>(e))
4715             return ex_to<matrix>(e).trace();
4716         else if (is_a<mul>(e)) @{
4717             ...
4718         @} else
4719             return e.map(*this);
4720     @}
4721 @};
4722 @end example
4723
4724 This function object could then be used like this:
4725
4726 @example
4727 @{
4728     ex M = ... // expression with matrices
4729     calc_trace do_trace;
4730     ex tr = do_trace(M);
4731 @}
4732 @end example
4733
4734 Here is another example for you to meditate over.  It removes quadratic
4735 terms in a variable from an expanded polynomial:
4736
4737 @example
4738 struct map_rem_quad : public map_function @{
4739     ex var;
4740     map_rem_quad(const ex & var_) : var(var_) @{@}
4741
4742     ex operator()(const ex & e)
4743     @{
4744         if (is_a<add>(e) || is_a<mul>(e))
4745             return e.map(*this);
4746         else if (is_a<power>(e) && 
4747                  e.op(0).is_equal(var) && e.op(1).info(info_flags::even))
4748             return 0;
4749         else
4750             return e;
4751     @}
4752 @};
4753
4754 ...
4755
4756 @{
4757     symbol x("x"), y("y");
4758
4759     ex e;
4760     for (int i=0; i<8; i++)
4761         e += pow(x, i) * pow(y, 8-i) * (i+1);
4762     cout << e << endl;
4763      // -> 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
4764
4765     map_rem_quad rem_quad(x);
4766     cout << rem_quad(e) << endl;
4767      // -> 4*y^5*x^3+8*y*x^7+2*y^7*x+6*y^3*x^5+y^8
4768 @}
4769 @end example
4770
4771 @command{ginsh} offers a slightly different implementation of @code{map()}
4772 that allows applying algebraic functions to operands. The second argument
4773 to @code{map()} is an expression containing the wildcard @samp{$0} which
4774 acts as the placeholder for the operands:
4775
4776 @example
4777 > map(a*b,sin($0));
4778 sin(a)*sin(b)
4779 > map(a+2*b,sin($0));
4780 sin(a)+sin(2*b)
4781 > map(@{a,b,c@},$0^2+$0);
4782 @{a^2+a,b^2+b,c^2+c@}
4783 @end example
4784
4785 Note that it is only possible to use algebraic functions in the second
4786 argument. You can not use functions like @samp{diff()}, @samp{op()},
4787 @samp{subs()} etc. because these are evaluated immediately:
4788
4789 @example
4790 > map(@{a,b,c@},diff($0,a));
4791 @{0,0,0@}
4792   This is because "diff($0,a)" evaluates to "0", so the command is equivalent
4793   to "map(@{a,b,c@},0)".
4794 @end example
4795
4796
4797 @node Visitors and tree traversal, Polynomial arithmetic, Applying a function on subexpressions, Methods and functions
4798 @c    node-name, next, previous, up
4799 @section Visitors and tree traversal
4800 @cindex tree traversal
4801 @cindex @code{visitor} (class)
4802 @cindex @code{accept()}
4803 @cindex @code{visit()}
4804 @cindex @code{traverse()}
4805 @cindex @code{traverse_preorder()}
4806 @cindex @code{traverse_postorder()}
4807
4808 Suppose that you need a function that returns a list of all indices appearing
4809 in an arbitrary expression. The indices can have any dimension, and for
4810 indices with variance you always want the covariant version returned.
4811
4812 You can't use @code{get_free_indices()} because you also want to include
4813 dummy indices in the list, and you can't use @code{find()} as it needs
4814 specific index dimensions (and it would require two passes: one for indices
4815 with variance, one for plain ones).
4816
4817 The obvious solution to this problem is a tree traversal with a type switch,
4818 such as the following:
4819
4820 @example
4821 void gather_indices_helper(const ex & e, lst & l)
4822 @{
4823     if (is_a<varidx>(e)) @{
4824         const varidx & vi = ex_to<varidx>(e);
4825         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4826     @} else if (is_a<idx>(e)) @{
4827         l.append(e);
4828     @} else @{
4829         size_t n = e.nops();
4830         for (size_t i = 0; i < n; ++i)
4831             gather_indices_helper(e.op(i), l);
4832     @}
4833 @}
4834
4835 lst gather_indices(const ex & e)
4836 @{
4837     lst l;
4838     gather_indices_helper(e, l);
4839     l.sort();
4840     l.unique();
4841     return l;
4842 @}
4843 @end example
4844
4845 This works fine but fans of object-oriented programming will feel
4846 uncomfortable with the type switch. One reason is that there is a possibility
4847 for subtle bugs regarding derived classes. If we had, for example, written
4848
4849 @example
4850     if (is_a<idx>(e)) @{
4851       ...
4852     @} else if (is_a<varidx>(e)) @{
4853       ...
4854 @end example
4855
4856 in @code{gather_indices_helper}, the code wouldn't have worked because the
4857 first line "absorbs" all classes derived from @code{idx}, including
4858 @code{varidx}, so the special case for @code{varidx} would never have been
4859 executed.
4860
4861 Also, for a large number of classes, a type switch like the above can get
4862 unwieldy and inefficient (it's a linear search, after all).
4863 @code{gather_indices_helper} only checks for two classes, but if you had to
4864 write a function that required a different implementation for nearly
4865 every GiNaC class, the result would be very hard to maintain and extend.
4866
4867 The cleanest approach to the problem would be to add a new virtual function
4868 to GiNaC's class hierarchy. In our example, there would be specializations
4869 for @code{idx} and @code{varidx} while the default implementation in
4870 @code{basic} performed the tree traversal. Unfortunately, in C++ it's
4871 impossible to add virtual member functions to existing classes without
4872 changing their source and recompiling everything. GiNaC comes with source,
4873 so you could actually do this, but for a small algorithm like the one
4874 presented this would be impractical.
4875
4876 One solution to this dilemma is the @dfn{Visitor} design pattern,
4877 which is implemented in GiNaC (actually, Robert Martin's Acyclic Visitor
4878 variation, described in detail in
4879 @uref{https://condor.depaul.edu/dmumaugh/OOT/Design-Principles/acv.pdf}). Instead of adding
4880 virtual functions to the class hierarchy to implement operations, GiNaC
4881 provides a single "bouncing" method @code{accept()} that takes an instance
4882 of a special @code{visitor} class and redirects execution to the one
4883 @code{visit()} virtual function of the visitor that matches the type of
4884 object that @code{accept()} was being invoked on.
4885
4886 Visitors in GiNaC must derive from the global @code{visitor} class as well
4887 as from the class @code{T::visitor} of each class @code{T} they want to
4888 visit, and implement the member functions @code{void visit(const T &)} for
4889 each class.
4890
4891 A call of
4892
4893 @example
4894 void ex::accept(visitor & v) const;
4895 @end example
4896
4897 will then dispatch to the correct @code{visit()} member function of the
4898 specified visitor @code{v} for the type of GiNaC object at the root of the
4899 expression tree (e.g. a @code{symbol}, an @code{idx} or a @code{mul}).
4900
4901 Here is an example of a visitor:
4902
4903 @example
4904 class my_visitor
4905  : public visitor,          // this is required
4906    public add::visitor,     // visit add objects
4907    public numeric::visitor, // visit numeric objects
4908    public basic::visitor    // visit basic objects
4909 @{
4910     void visit(const add & x)
4911     @{ cout << "called with an add object" << endl; @}
4912
4913     void visit(const numeric & x)
4914     @{ cout << "called with a numeric object" << endl; @}
4915
4916     void visit(const basic & x)
4917     @{ cout << "called with a basic object" << endl; @}
4918 @};
4919 @end example
4920
4921 which can be used as follows:
4922
4923 @example
4924 ...
4925     symbol x("x");
4926     ex e1 = 42;
4927     ex e2 = 4*x-3;
4928     ex e3 = 8*x;
4929
4930     my_visitor v;
4931     e1.accept(v);
4932      // prints "called with a numeric object"
4933     e2.accept(v);
4934      // prints "called with an add object"
4935     e3.accept(v);
4936      // prints "called with a basic object"
4937 ...
4938 @end example
4939
4940 The @code{visit(const basic &)} method gets called for all objects that are
4941 not @code{numeric} or @code{add} and acts as an (optional) default.
4942
4943 From a conceptual point of view, the @code{visit()} methods of the visitor
4944 behave like a newly added virtual function of the visited hierarchy.
4945 In addition, visitors can store state in member variables, and they can
4946 be extended by deriving a new visitor from an existing one, thus building
4947 hierarchies of visitors.
4948
4949 We can now rewrite our index example from above with a visitor:
4950
4951 @example
4952 class gather_indices_visitor
4953  : public visitor, public idx::visitor, public varidx::visitor
4954 @{
4955     lst l;
4956
4957     void visit(const idx & i)
4958     @{
4959         l.append(i);
4960     @}
4961
4962     void visit(const varidx & vi)
4963     @{
4964         l.append(vi.is_covariant() ? vi : vi.toggle_variance());
4965     @}
4966
4967 public:
4968     const lst & get_result() // utility function
4969     @{
4970         l.sort();
4971         l.unique();
4972         return l;
4973     @}
4974 @};
4975 @end example
4976
4977 What's missing is the tree traversal. We could implement it in
4978 @code{visit(const basic &)}, but GiNaC has predefined methods for this:
4979
4980 @example
4981 void ex::traverse_preorder(visitor & v) const;
4982 void ex::traverse_postorder(visitor & v) const;
4983 void ex::traverse(visitor & v) const;
4984 @end example
4985
4986 @code{traverse_preorder()} visits a node @emph{before} visiting its
4987 subexpressions, while @code{traverse_postorder()} visits a node @emph{after}
4988 visiting its subexpressions. @code{traverse()} is a synonym for
4989 @code{traverse_preorder()}.
4990
4991 Here is a new implementation of @code{gather_indices()} that uses the visitor
4992 and @code{traverse()}:
4993
4994 @example
4995 lst gather_indices(const ex & e)
4996 @{
4997     gather_indices_visitor v;
4998     e.traverse(v);
4999     return v.get_result();
5000 @}
5001 @end example
5002
5003 Alternatively, you could use pre- or postorder iterators for the tree
5004 traversal:
5005
5006 @example
5007 lst gather_indices(const ex & e)
5008 @{
5009     gather_indices_visitor v;
5010     for (const_preorder_iterator i = e.preorder_begin();
5011          i != e.preorder_end(); ++i) @{
5012         i->accept(v);
5013     @}
5014     return v.get_result();
5015 @}
5016 @end example
5017
5018
5019 @node Polynomial arithmetic, Rational expressions, Visitors and tree traversal, Methods and functions
5020 @c    node-name, next, previous, up
5021 @section Polynomial arithmetic
5022
5023 @subsection Testing whether an expression is a polynomial
5024 @cindex @code{is_polynomial()}
5025
5026 Testing whether an expression is a polynomial in one or more variables
5027 can be done with the method
5028 @example
5029 bool ex::is_polynomial(const ex & vars) const;
5030 @end example
5031 In the case of more than
5032 one variable, the variables are given as a list.
5033
5034 @example
5035 (x*y*sin(y)).is_polynomial(x)         // Returns true.
5036 (x*y*sin(y)).is_polynomial(lst@{x,y@})  // Returns false.
5037 @end example
5038
5039 @subsection Expanding and collecting
5040 @cindex @code{expand()}
5041 @cindex @code{collect()}
5042 @cindex @code{collect_common_factors()}
5043
5044 A polynomial in one or more variables has many equivalent
5045 representations.  Some useful ones serve a specific purpose.  Consider
5046 for example the trivariate polynomial @math{4*x*y + x*z + 20*y^2 +
5047 21*y*z + 4*z^2} (written down here in output-style).  It is equivalent
5048 to the factorized polynomial @math{(x + 5*y + 4*z)*(4*y + z)}.  Other
5049 representations are the recursive ones where one collects for exponents
5050 in one of the three variable.  Since the factors are themselves
5051 polynomials in the remaining two variables the procedure can be
5052 repeated.  In our example, two possibilities would be @math{(4*y + z)*x
5053 + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2} and @math{20*y^2 + (21*z + 4*x)*y + 4*z^2 +
5054 x*z}.
5055
5056 To bring an expression into expanded form, its method
5057
5058 @example
5059 ex ex::expand(unsigned options = 0);
5060 @end example
5061
5062 may be called.  In our example above, this corresponds to @math{4*x*y +
5063 x*z + 20*y^2 + 21*y*z + 4*z^2}.  Again, since the canonical form in
5064 GiNaC is not easy to guess you should be prepared to see different
5065 orderings of terms in such sums!
5066
5067 Another useful representation of multivariate polynomials is as a
5068 univariate polynomial in one of the variables with the coefficients
5069 being polynomials in the remaining variables.  The method
5070 @code{collect()} accomplishes this task:
5071
5072 @example
5073 ex ex::collect(const ex & s, bool distributed = false);
5074 @end example
5075
5076 The first argument to @code{collect()} can also be a list of objects in which
5077 case the result is either a recursively collected polynomial, or a polynomial
5078 in a distributed form with terms like @math{c*x1^e1*...*xn^en}, as specified
5079 by the @code{distributed} flag.
5080
5081 Note that the original polynomial needs to be in expanded form (for the
5082 variables concerned) in order for @code{collect()} to be able to find the
5083 coefficients properly.
5084
5085 The following @command{ginsh} transcript shows an application of @code{collect()}
5086 together with @code{find()}:
5087
5088 @example
5089 > a=expand((sin(x)+sin(y))*(1+p+q)*(1+d));
5090 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)
5091 +q*sin(x)+d*sin(y)*p+sin(x)+sin(y)*p
5092 > collect(a,@{p,q@});
5093 d*sin(x)+(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*p
5094 +(d*sin(x)+sin(y)+d*sin(y)+sin(x))*q+sin(y)+d*sin(y)+sin(x)
5095 > collect(a,find(a,sin($1)));
5096 (1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(y)+(1+q+d+q*d+d*p+p)*sin(x)
5097 > collect(a,@{find(a,sin($1)),p,q@});
5098 (1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(x)+(1+(1+d)*p+d+q*(1+d))*sin(y)
5099 > collect(a,@{find(a,sin($1)),d@});
5100 (1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(y)+(1+q+d*(1+q+p)+p)*sin(x)
5101 @end example
5102
5103 Polynomials can often be brought into a more compact form by collecting
5104 common factors from the terms of sums. This is accomplished by the function
5105
5106 @example
5107 ex collect_common_factors(const ex & e);
5108 @end example
5109
5110 This function doesn't perform a full factorization but only looks for
5111 factors which are already explicitly present:
5112
5113 @example
5114 > collect_common_factors(a*x+a*y);
5115 (x+y)*a
5116 > collect_common_factors(a*x^2+2*a*x*y+a*y^2);
5117 a*(2*x*y+y^2+x^2)
5118 > collect_common_factors(a*(b*(a+c)*x+b*((a+c)*x+(a+c)*y)*y));
5119 (c+a)*a*(x*y+y^2+x)*b
5120 @end example
5121
5122 @subsection Degree and coefficients
5123 @cindex @code{degree()}
5124 @cindex @code{ldegree()}
5125 @cindex @code{coeff()}
5126
5127 The degree and low degree of a polynomial in expanded form can be obtained
5128 using the two methods
5129
5130 @example
5131 int ex::degree(const ex & s);
5132 int ex::ldegree(const ex & s);
5133 @end example
5134
5135 These functions even work on rational functions, returning the asymptotic
5136 degree. By definition, the degree of zero is zero. To extract a coefficient
5137 with a certain power from an expanded polynomial you use
5138
5139 @example
5140 ex ex::coeff(const ex & s, int n);
5141 @end example
5142
5143 You can also obtain the leading and trailing coefficients with the methods
5144
5145 @example
5146 ex ex::lcoeff(const ex & s);
5147 ex ex::tcoeff(const ex & s);
5148 @end example
5149
5150 which are equivalent to @code{coeff(s, degree(s))} and @code{coeff(s, ldegree(s))},
5151 respectively.
5152
5153 An application is illustrated in the next example, where a multivariate
5154 polynomial is analyzed:
5155
5156 @example
5157 @{
5158     symbol x("x"), y("y");
5159     ex PolyInp = 4*pow(x,3)*y + 5*x*pow(y,2) + 3*y
5160                  - pow(x+y,2) + 2*pow(y+2,2) - 8;
5161     ex Poly = PolyInp.expand();
5162     
5163     for (int i=Poly.ldegree(x); i<=Poly.degree(x); ++i) @{
5164         cout << "The x^" << i << "-coefficient is "
5165              << Poly.coeff(x,i) << endl;
5166     @}
5167     cout << "As polynomial in y: " 
5168          << Poly.collect(y) << endl;
5169 @}
5170 @end example
5171
5172 When run, it returns an output in the following fashion:
5173
5174 @example
5175 The x^0-coefficient is y^2+11*y
5176 The x^1-coefficient is 5*y^2-2*y
5177 The x^2-coefficient is -1
5178 The x^3-coefficient is 4*y
5179 As polynomial in y: -x^2+(5*x+1)*y^2+(-2*x+4*x^3+11)*y
5180 @end example
5181
5182 As always, the exact output may vary between different versions of GiNaC
5183 or even from run to run since the internal canonical ordering is not
5184 within the user's sphere of influence.
5185
5186 @code{degree()}, @code{ldegree()}, @code{coeff()}, @code{lcoeff()},
5187 @code{tcoeff()} and @code{collect()} can also be used to a certain degree
5188 with non-polynomial expressions as they not only work with symbols but with
5189 constants, functions and indexed objects as well:
5190
5191 @example
5192 @{
5193     symbol a("a"), b("b"), c("c"), x("x");
5194     idx i(symbol("i"), 3);
5195
5196     ex e = pow(sin(x) - cos(x), 4);
5197     cout << e.degree(cos(x)) << endl;
5198      // -> 4
5199     cout << e.expand().coeff(sin(x), 3) << endl;
5200      // -> -4*cos(x)
5201
5202     e = indexed(a+b, i) * indexed(b+c, i); 
5203     e = e.expand(expand_options::expand_indexed);
5204     cout << e.collect(indexed(b, i)) << endl;
5205      // -> a.i*c.i+(a.i+c.i)*b.i+b.i^2
5206 @}
5207 @end example
5208
5209
5210 @subsection Polynomial division
5211 @cindex polynomial division
5212 @cindex quotient
5213 @cindex remainder
5214 @cindex pseudo-remainder
5215 @cindex @code{quo()}
5216 @cindex @code{rem()}
5217 @cindex @code{prem()}
5218 @cindex @code{divide()}
5219
5220 The two functions
5221
5222 @example
5223 ex quo(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5224 ex rem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5225 @end example
5226
5227 compute the quotient and remainder of univariate polynomials in the variable
5228 @samp{x}. The results satisfy @math{a = b*quo(a, b, x) + rem(a, b, x)}.
5229
5230 The additional function
5231
5232 @example
5233 ex prem(const ex & a, const ex & b, const ex & x);
5234 @end example
5235
5236 computes the pseudo-remainder of @samp{a} and @samp{b} which satisfies
5237 @math{c*a = b*q + prem(a, b, x)}, where @math{c = b.lcoeff(x) ^ (a.degree(x) - b.degree(x) + 1)}.
5238
5239 Exact division of multivariate polynomials is performed by the function
5240
5241 @example
5242 bool divide(const ex & a, const ex & b, ex & q);
5243 @end example
5244
5245 If @samp{b} divides @samp{a} over the rationals, this function returns @code{true}
5246 and returns the quotient in the variable @code{q}. Otherwise it returns @code{false}
5247 in which case the value of @code{q} is undefined.
5248
5249
5250 @subsection Unit, content and primitive part
5251 @cindex @code{unit()}
5252 @cindex @code{content()}
5253 @cindex @code{primpart()}
5254 @cindex @code{unitcontprim()}
5255
5256 The methods
5257
5258 @example
5259 ex ex::unit(const ex & x);
5260 ex ex::content(const ex & x);
5261 ex ex::primpart(const ex & x);
5262 ex ex::primpart(const ex & x, const ex & c);
5263 @end example
5264
5265 return the unit part, content part, and primitive polynomial of a multivariate
5266 polynomial with respect to the variable @samp{x} (the unit part being the sign
5267 of the leading coefficient, the content part being the GCD of the coefficients,
5268 and the primitive polynomial being the input polynomial divided by the unit and
5269 content parts). The second variant of @code{primpart()} expects the previously
5270 calculated content part of the polynomial in @code{c}, which enables it to
5271 work faster in the case where the content part has already been computed. The
5272 product of unit, content, and primitive part is the original polynomial.
5273
5274 Additionally, the method
5275
5276 @example
5277 void ex::unitcontprim(const ex & x, ex & u, ex & c, ex & p);
5278 @end example
5279
5280 computes the unit, content, and primitive parts in one go, returning them
5281 in @code{u}, @code{c}, and @code{p}, respectively.
5282
5283
5284 @subsection GCD, LCM and resultant
5285 @cindex GCD
5286 @cindex LCM
5287 @cindex @code{gcd()}
5288 @cindex @code{lcm()}
5289
5290 The functions for polynomial greatest common divisor and least common
5291 multiple have the synopsis
5292
5293 @example
5294 ex gcd(const ex & a, const ex & b);
5295 ex lcm(const ex & a, const ex & b);
5296 @end example
5297
5298 The functions @code{gcd()} and @code{lcm()} accept two expressions
5299 @code{a} and @code{b} as arguments and return a new expression, their
5300 greatest common divisor or least common multiple, respectively.  If the
5301 polynomials @code{a} and @code{b} are coprime @code{gcd(a,b)} returns 1
5302 and @code{lcm(a,b)} returns the product of @code{a} and @code{b}. Note that all
5303 the coefficients must be rationals.
5304
5305 @example
5306 #include <ginac/ginac.h>
5307 using namespace GiNaC;
5308
5309 int main()
5310 @{
5311     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5312     ex P_a = 4*x*y + x*z + 20*pow(y, 2) + 21*y*z + 4*pow(z, 2);
5313     ex P_b = x*y + 3*x*z + 5*pow(y, 2) + 19*y*z + 12*pow(z, 2);
5314
5315     ex P_gcd = gcd(P_a, P_b);
5316     // x + 5*y + 4*z
5317     ex P_lcm = lcm(P_a, P_b);
5318     // 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
5319 @}
5320 @end example
5321
5322 @cindex resultant
5323 @cindex @code{resultant()}
5324
5325 The resultant of two expressions only makes sense with polynomials.
5326 It is always computed with respect to a specific symbol within the
5327 expressions. The function has the interface
5328
5329 @example
5330 ex resultant(const ex & a, const ex & b, const ex & s);
5331 @end example
5332
5333 Resultants are symmetric in @code{a} and @code{b}. The following example
5334 computes the resultant of two expressions with respect to @code{x} and
5335 @code{y}, respectively:
5336
5337 @example
5338 #include <ginac/ginac.h>
5339 using namespace GiNaC;
5340
5341 int main()
5342 @{
5343     symbol x("x"), y("y");
5344
5345     ex e1 = x+pow(y,2), e2 = 2*pow(x,3)-1; // x+y^2, 2*x^3-1
5346     ex r;
5347     
5348     r = resultant(e1, e2, x); 
5349     // -> 1+2*y^6
5350     r = resultant(e1, e2, y); 
5351     // -> 1-4*x^3+4*x^6
5352 @}
5353 @end example
5354
5355 @subsection Square-free decomposition
5356 @cindex square-free decomposition
5357 @cindex factorization
5358 @cindex @code{sqrfree()}
5359
5360 Square-free decomposition is available in GiNaC:
5361 @example
5362 ex sqrfree(const ex & a, const lst & l = lst@{@});
5363 @end example
5364 Here is an example that by the way illustrates how the exact form of the
5365 result may slightly depend on the order of differentiation, calling for
5366 some care with subsequent processing of the result:
5367 @example
5368     ...
5369     symbol x("x"), y("y");
5370     ex BiVarPol = expand(pow(2-2*y,3) * pow(1+x*y,2) * pow(x-2*y,2) * (x+y));
5371
5372     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{x,y@}) << endl;
5373      // -> 8*(1-y)^3*(y*x^2-2*y+x*(1-2*y^2))^2*(y+x)
5374
5375     cout << sqrfree(BiVarPol, lst@{y,x@}) << endl;
5376      // -> 8*(1-y)^3*(-y*x^2+2*y+x*(-1+2*y^2))^2*(y+x)
5377
5378     cout << sqrfree(BiVarPol) << endl;
5379      // -> depending on luck, any of the above
5380     ...
5381 @end example
5382 Note also, how factors with the same exponents are not fully factorized
5383 with this method.
5384
5385 @subsection Square-free partial fraction decomposition
5386 @cindex square-free partial fraction decomposition
5387 @cindex partial fraction decomposition
5388 @cindex @code{sqrfree_parfrac()}
5389
5390 GiNaC also supports square-free partial fraction decomposition of
5391 rational functions:
5392 @example
5393 ex sqrfree_parfrac(const ex & a, const symbol & x);
5394 @end example
5395 It is called square-free because it assumes a square-free
5396 factorization of the input's denominator:
5397 @example
5398     ...
5399     symbol x("x");
5400
5401     ex rat = (x-4)/(pow(x,2)*(x+2));
5402     cout << sqrfree_parfrac(rat, x) << endl;
5403      // -> -2*x^(-2)+3/2*x^(-1)-3/2*(2+x)^(-1)
5404 @end example
5405
5406 @subsection Polynomial factorization
5407 @cindex factorization
5408 @cindex polynomial factorization
5409 @cindex @code{factor()}
5410
5411 Polynomials can also be fully factored with a call to the function
5412 @example
5413 ex factor(const ex & a, unsigned int options = 0);
5414 @end example
5415 The factorization works for univariate and multivariate polynomials with
5416 rational coefficients. The following code snippet shows its capabilities:
5417 @example
5418     ...
5419     cout << factor(pow(x,2)-1) << endl;
5420      // -> (1+x)*(-1+x)
5421     cout << factor(expand((x-y*z)*(x-pow(y,2)-pow(z,3))*(x+y+z))) << endl;
5422      // -> (y+z+x)*(y*z-x)*(y^2-x+z^3)
5423     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1)) << endl;
5424      // -> -1+sin(-1+x^2)+x^2
5425     ...
5426 @end example
5427 The results are as expected except for the last one where no factorization
5428 seems to have been done. This is due to the default option
5429 @command{factor_options::polynomial} (equals zero) to @command{factor()}, which
5430 tells GiNaC to try a factorization only if the expression is a valid polynomial.
5431 In the shown example this is not the case, because one term is a function.
5432
5433 There exists a second option @command{factor_options::all}, which tells GiNaC to
5434 ignore non-polynomial parts of an expression and also to look inside function
5435 arguments. With this option the example gives:
5436 @example
5437     ...
5438     cout << factor(pow(x,2)-1+sin(pow(x,2)-1), factor_options::all)
5439          << endl;
5440      // -> (-1+x)*(1+x)+sin((-1+x)*(1+x))
5441     ...
5442 @end example
5443 GiNaC's factorization functions cannot handle algebraic extensions. Therefore
5444 the following example does not factor:
5445 @example
5446     ...
5447     cout << factor(pow(x,2)-2) << endl;
5448      // -> -2+x^2  and not  (x-sqrt(2))*(x+sqrt(2))
5449     ...
5450 @end example
5451 Factorization is useful in many applications. A lot of algorithms in computer
5452 algebra depend on the ability to factor a polynomial. Of course, factorization
5453 can also be used to simplify expressions, but it is costly and applying it to
5454 complicated expressions (high degrees or many terms) may consume far too much
5455 time. So usually, looking for a GCD at strategic points in a calculation is the
5456 cheaper and more appropriate alternative.
5457
5458 @node Rational expressions, Symbolic differentiation, Polynomial arithmetic, Methods and functions
5459 @c    node-name, next, previous, up
5460 @section Rational expressions
5461
5462 @subsection The @code{normal} method
5463 @cindex @code{normal()}
5464 @cindex simplification
5465 @cindex temporary replacement
5466
5467 Some basic form of simplification of expressions is called for frequently.
5468 GiNaC provides the method @code{.normal()}, which converts a rational function
5469 into an equivalent rational function of the form @samp{numerator/denominator}
5470 where numerator and denominator are coprime.  If the input expression is already
5471 a fraction, it just finds the GCD of numerator and denominator and cancels it,
5472 otherwise it performs fraction addition and multiplication.
5473
5474 @code{.normal()} can also be used on expressions which are not rational functions
5475 as it will replace all non-rational objects (like functions or non-integer
5476 powers) by temporary symbols to bring the expression to the domain of rational
5477 functions before performing the normalization, and re-substituting these
5478 symbols afterwards. This algorithm is also available as a separate method
5479 @code{.to_rational()}, described below.
5480
5481 This means that both expressions @code{t1} and @code{t2} are indeed
5482 simplified in this little code snippet:
5483
5484 @example
5485 @{
5486     symbol x("x");
5487     ex t1 = (pow(x,2) + 2*x + 1)/(x + 1);
5488     ex t2 = (pow(sin(x),2) + 2*sin(x) + 1)/(sin(x) + 1);
5489     std::cout << "t1 is " << t1.normal() << std::endl;
5490     std::cout << "t2 is " << t2.normal() << std::endl;
5491 @}
5492 @end example
5493
5494 Of course this works for multivariate polynomials too, so the ratio of
5495 the sample-polynomials from the section about GCD and LCM above would be
5496 normalized to @code{P_a/P_b} = @code{(4*y+z)/(y+3*z)}.
5497
5498
5499 @subsection Numerator and denominator
5500 @cindex numerator
5501 @cindex denominator
5502 @cindex @code{numer()}
5503 @cindex @code{denom()}
5504 @cindex @code{numer_denom()}
5505
5506 The numerator and denominator of an expression can be obtained with
5507
5508 @example
5509 ex ex::numer();
5510 ex ex::denom();
5511 ex ex::numer_denom();
5512 @end example
5513
5514 These functions will first normalize the expression as described above and
5515 then return the numerator, denominator, or both as a list, respectively.
5516 If you need both numerator and denominator, call @code{numer_denom()}: it
5517 is faster than using @code{numer()} and @code{denom()} separately. And even
5518 more important: a separate evaluation of @code{numer()} and @code{denom()}
5519 may result in a spurious sign, e.g. for $x/(x^2-1)$ @code{numer()} may
5520 return $x$ and @code{denom()} $1-x^2$.
5521
5522
5523 @subsection Converting to a polynomial or rational expression
5524 @cindex @code{to_polynomial()}
5525 @cindex @code{to_rational()}
5526
5527 Some of the methods described so far only work on polynomials or rational
5528 functions. GiNaC provides a way to extend the domain of these functions to
5529 general expressions by using the temporary replacement algorithm described
5530 above. You do this by calling
5531
5532 @example
5533 ex ex::to_polynomial(exmap & m);
5534 @end example
5535 or
5536 @example
5537 ex ex::to_rational(exmap & m);
5538 @end example
5539
5540 on the expression to be converted. The supplied @code{exmap} will be filled
5541 with the generated temporary symbols and their replacement expressions in a
5542 format that can be used directly for the @code{subs()} method. It can also
5543 already contain a list of replacements from an earlier application of
5544 @code{.to_polynomial()} or @code{.to_rational()}, so it's possible to use
5545 it on multiple expressions and get consistent results.
5546
5547 The difference between @code{.to_polynomial()} and @code{.to_rational()}
5548 is probably best illustrated with an example:
5549
5550 @example
5551 @{
5552     symbol x("x"), y("y");
5553     ex a = 2*x/sin(x) - y/(3*sin(x));
5554     cout << a << endl;
5555
5556     exmap mp;
5557     ex p = a.to_polynomial(mp);
5558     cout << " = " << p << "\n   with " << mp << endl;
5559      // = symbol3*symbol2*y+2*symbol2*x
5560      //   with @{symbol2==sin(x)^(-1),symbol3==-1/3@}
5561
5562     exmap mr;
5563     ex r = a.to_rational(mr);
5564     cout << " = " << r << "\n   with " << mr << endl;
5565      // = -1/3*symbol4^(-1)*y+2*symbol4^(-1)*x
5566      //   with @{symbol4==sin(x)@}
5567 @}
5568 @end example
5569
5570 The following more useful example will print @samp{sin(x)-cos(x)}:
5571
5572 @example
5573 @{
5574     symbol x("x");
5575     ex a = pow(sin(x), 2) - pow(cos(x), 2);
5576     ex b = sin(x) + cos(x);
5577     ex q;
5578     exmap m;
5579     divide(a.to_polynomial(m), b.to_polynomial(m), q);
5580     cout << q.subs(m) << endl;
5581 @}
5582 @end example
5583
5584
5585 @node Symbolic differentiation, Series expansion, Rational expressions, Methods and functions
5586 @c    node-name, next, previous, up
5587 @section Symbolic differentiation
5588 @cindex differentiation
5589 @cindex @code{diff()}
5590 @cindex chain rule
5591 @cindex product rule
5592
5593 GiNaC's objects know how to differentiate themselves.  Thus, a
5594 polynomial (class @code{add}) knows that its derivative is the sum of
5595 the derivatives of all the monomials:
5596
5597 @example
5598 @{
5599     symbol x("x"), y("y"), z("z");
5600     ex P = pow(x, 5) + pow(x, 2) + y;
5601
5602     cout << P.diff(x,2) << endl;
5603      // -> 20*x^3 + 2
5604     cout << P.diff(y) << endl;    // 1
5605      // -> 1
5606     cout << P.diff(z) << endl;    // 0
5607      // -> 0
5608 @}
5609 @end example
5610
5611 If a second integer parameter @var{n} is given, the @code{diff} method
5612 returns the @var{n}th derivative.
5613
5614 If @emph{every} object and every function is told what its derivative
5615 is, all derivatives of composed objects can be calculated using the
5616 chain rule and the product rule.  Consider, for instance the expression
5617 @code{1/cosh(x)}.  Since the derivative of @code{cosh(x)} is
5618 @code{sinh(x)} and the derivative of @code{pow(x,-1)} is
5619 @code{-pow(x,-2)}, GiNaC can readily compute the composition.  It turns
5620 out that the composition is the generating function for Euler Numbers,
5621 i.e. the so called @var{n}th Euler number is the coefficient of
5622 @code{x^n/n!} in the expansion of @code{1/cosh(x)}.  We may use this
5623 identity to code a function that generates Euler numbers in just three
5624 lines:
5625
5626 @cindex Euler numbers
5627 @example
5628 #include <ginac/ginac.h>
5629 using namespace GiNaC;
5630
5631 ex EulerNumber(unsigned n)
5632 @{
5633     symbol x;
5634     const ex generator = pow(cosh(x),-1);
5635     return generator.diff(x,n).subs(x==0);
5636 @}
5637
5638 int main()
5639 @{
5640     for (unsigned i=0; i<11; i+=2)
5641         std::cout << EulerNumber(i) << std::endl;
5642     return 0;
5643 @}
5644 @end example
5645
5646 When you run it, it produces the sequence @code{1}, @code{-1}, @code{5},
5647 @code{-61}, @code{1385}, @code{-50521}.  We increment the loop variable
5648 @code{i} by two since all odd Euler numbers vanish anyways.
5649
5650
5651 @node Series expansion, Symmetrization, Symbolic differentiation, Methods and functions
5652 @c    node-name, next, previous, up
5653 @section Series expansion
5654 @cindex @code{series()}
5655 @cindex Taylor expansion
5656 @cindex Laurent expansion
5657 @cindex @code{pseries} (class)
5658 @cindex @code{Order()}
5659
5660 Expressions know how to expand themselves as a Taylor series or (more
5661 generally) a Laurent series.  As in most conventional Computer Algebra
5662 Systems, no distinction is made between those two.  There is a class of
5663 its own for storing such series (@code{class pseries}) and a built-in
5664 function (called @code{Order}) for storing the order term of the series.
5665 As a consequence, if you want to work with series, i.e. multiply two
5666 series, you need to call the method @code{ex::series} again to convert
5667 it to a series object with the usual structure (expansion plus order
5668 term).  A sample application from special relativity could read:
5669
5670 @example
5671 #include <ginac/ginac.h>
5672 using namespace std;
5673 using namespace GiNaC;
5674
5675 int main()
5676 @{
5677     symbol v("v"), c("c");
5678     
5679     ex gamma = 1/sqrt(1 - pow(v/c,2));
5680     ex mass_nonrel = gamma.series(v==0, 10);
5681     
5682     cout << "the relativistic mass increase with v is " << endl
5683          << mass_nonrel << endl;
5684     
5685     cout << "the inverse square of this series is " << endl
5686          << pow(mass_nonrel,-2).series(v==0, 10) << endl;
5687 @}
5688 @end example
5689
5690 Only calling the series method makes the last output simplify to
5691 @math{1-v^2/c^2+O(v^10)}, without that call we would just have a long
5692 series raised to the power @math{-2}.
5693
5694 @cindex Machin's formula
5695 As another instructive application, let us calculate the numerical 
5696 value of Archimedes' constant
5697 @tex
5698 $\pi$
5699 @end tex
5700 @ifnottex
5701 @math{Pi}
5702 @end ifnottex
5703 (for which there already exists the built-in constant @code{Pi}) 
5704 using John Machin's amazing formula
5705 @tex
5706 $\pi=16$~atan~$\!\left(1 \over 5 \right)-4$~atan~$\!\left(1 \over 239 \right)$.
5707 @end tex
5708 @ifnottex
5709 @math{Pi==16*atan(1/5)-4*atan(1/239)}.
5710 @end ifnottex
5711 This equation (and similar ones) were used for over 200 years for
5712 computing digits of pi (see @cite{Pi Unleashed}).  We may expand the
5713 arcus tangent around @code{0} and insert the fractions @code{1/5} and
5714 @code{1/239}.  However, as we have seen, a series in GiNaC carries an
5715 order term with it and the question arises what the system is supposed
5716 to do when the fractions are plugged into that order term.  The solution
5717 is to use the function @code{series_to_poly()} to simply strip the order
5718 term off:
5719
5720 @example
5721 #include <ginac/ginac.h>
5722 using namespace GiNaC;
5723
5724 ex machin_pi(int degr)
5725 @{
5726     symbol x;
5727     ex pi_expansion = series_to_poly(atan(x).series(x==0,degr));
5728     ex pi_approx = 16*pi_expansion.subs(x==numeric(1,5))
5729                    -4*pi_expansion.subs(x==numeric(1,239));
5730     return pi_approx;
5731 @}
5732
5733 int main()
5734 @{
5735     using std::cout;  // just for fun, another way of...
5736     using std::endl;  // ...dealing with this namespace std.
5737     ex pi_frac;
5738     for (int i=2; i<12; i+=2) @{
5739         pi_frac = machin_pi(i);
5740         cout << i << ":\t" << pi_frac << endl
5741              << "\t" << pi_frac.evalf() << endl;
5742     @}
5743     return 0;
5744 @}
5745 @end example
5746
5747 Note how we just called @code{.series(x,degr)} instead of
5748 @code{.series(x==0,degr)}.  This is a simple shortcut for @code{ex}'s
5749 method @code{series()}: if the first argument is a symbol the expression
5750 is expanded in that symbol around point @code{0}.  When you run this
5751 program, it will type out:
5752
5753 @example
5754 2:      3804/1195
5755         3.1832635983263598326
5756 4:      5359397032/1706489875
5757         3.1405970293260603143
5758 6:      38279241713339684/12184551018734375
5759         3.141621029325034425
5760 8:      76528487109180192540976/24359780855939418203125
5761         3.141591772182177295
5762 10:     327853873402258685803048818236/104359128170408663038552734375
5763         3.1415926824043995174
5764 @end example
5765
5766
5767 @node Symmetrization, Built-in functions, Series expansion, Methods and functions
5768 @c    node-name, next, previous, up
5769 @section Symmetrization
5770 @cindex @code{symmetrize()}
5771 @cindex @code{antisymmetrize()}
5772 @cindex @code{symmetrize_cyclic()}
5773
5774 The three methods
5775
5776 @example
5777 ex ex::symmetrize(const lst & l);
5778 ex ex::antisymmetrize(const lst & l);
5779 ex ex::symmetrize_cyclic(const lst & l);
5780 @end example
5781
5782 symmetrize an expression by returning the sum over all symmetric,
5783 antisymmetric or cyclic permutations of the specified list of objects,
5784 weighted by the number of permutations.
5785
5786 The three additional methods
5787
5788 @example
5789 ex ex::symmetrize();
5790 ex ex::antisymmetrize();
5791 ex ex::symmetrize_cyclic();
5792 @end example
5793
5794 symmetrize or antisymmetrize an expression over its free indices.
5795
5796 Symmetrization is most useful with indexed expressions but can be used with
5797 almost any kind of object (anything that is @code{subs()}able):
5798
5799 @example
5800 @{
5801     idx i(symbol("i"), 3), j(symbol("j"), 3), k(symbol("k"), 3);
5802     symbol A("A"), B("B"), a("a"), b("b"), c("c");
5803                                            
5804     cout << ex(indexed(A, i, j)).symmetrize() << endl;
5805      // -> 1/2*A.j.i+1/2*A.i.j
5806     cout << ex(indexed(A, i, j, k)).antisymmetrize(lst@{i, j@}) << endl;
5807      // -> -1/2*A.j.i.k+1/2*A.i.j.k
5808     cout << ex(lst@{a, b, c@}).symmetrize_cyclic(lst@{a, b, c@}) << endl;
5809      // -> 1/3*@{a,b,c@}+1/3*@{b,c,a@}+1/3*@{c,a,b@}
5810 @}
5811 @end example
5812
5813 @page
5814
5815 @node Built-in functions, Multiple polylogarithms, Symmetrization, Methods and functions
5816 @c    node-name, next, previous, up
5817 @section Predefined mathematical functions
5818 @c
5819 @subsection Overview
5820
5821 GiNaC contains the following predefined mathematical functions:
5822
5823 @cartouche
5824 @multitable @columnfractions .30 .70
5825 @item @strong{Name} @tab @strong{Function}
5826 @item @code{abs(x)}
5827 @tab absolute value
5828 @cindex @code{abs()}
5829 @item @code{step(x)}
5830 @tab step function
5831 @cindex @code{step()}
5832 @item @code{csgn(x)}
5833 @tab complex sign
5834 @cindex @code{conjugate()}
5835 @item @code{conjugate(x)}
5836 @tab complex conjugation
5837 @cindex @code{real_part()}
5838 @item @code{real_part(x)}
5839 @tab real part
5840 @cindex @code{imag_part()}
5841 @item @code{imag_part(x)}
5842 @tab imaginary part
5843 @item @code{sqrt(x)}
5844 @tab square root (not a GiNaC function, rather an alias for @code{pow(x, numeric(1, 2))})
5845 @cindex @code{sqrt()}
5846 @item @code{sin(x)}
5847 @tab sine
5848 @cindex @code{sin()}
5849 @item @code{cos(x)}
5850 @tab cosine
5851 @cindex @code{cos()}
5852 @item @code{tan(x)}
5853 @tab tangent
5854 @cindex @code{tan()}
5855 @item @code{asin(x)}
5856 @tab inverse sine
5857 @cindex @code{asin()}
5858 @item @code{acos(x)}
5859 @tab inverse cosine
5860 @cindex @code{acos()}
5861 @item @code{atan(x)}
5862 @tab inverse tangent
5863 @cindex @code{atan()}
5864 @item @code{atan2(y, x)}
5865 @tab inverse tangent with two arguments
5866 @item @code{sinh(x)}
5867 @tab hyperbolic sine
5868 @cindex @code{sinh()}
5869 @item @code{cosh(x)}
5870 @tab hyperbolic cosine
5871 @cindex @code{cosh()}
5872 @item @code{tanh(x)}
5873 @tab hyperbolic tangent
5874 @cindex @code{tanh()}
5875 @item @code{asinh(x)}
5876 @tab inverse hyperbolic sine
5877 @cindex @code{asinh()}
5878 @item @code{acosh(x)}
5879 @tab inverse hyperbolic cosine
5880 @cindex @code{acosh()}
5881 @item @code{atanh(x)}
5882 @tab inverse hyperbolic tangent
5883 @cindex @code{atanh()}
5884 @item @code{exp(x)}
5885 @tab exponential function
5886 @cindex @code{exp()}
5887 @item @code{log(x)}
5888 @tab natural logarithm
5889 @cindex @code{log()}
5890 @item @code{eta(x,y)}
5891 @tab Eta function: @code{eta(x,y) = log(x*y) - log(x) - log(y)}
5892 @cindex @code{eta()}
5893 @item @code{Li2(x)}
5894 @tab dilogarithm
5895 @cindex @code{Li2()}
5896 @item @code{Li(m, x)}
5897 @tab classical polylogarithm as well as multiple polylogarithm
5898 @cindex @code{Li()}
5899 @item @code{G(a, y)}
5900 @tab multiple polylogarithm
5901 @cindex @code{G()}
5902 @item @code{G(a, s, y)}
5903 @tab multiple polylogarithm with explicit signs for the imaginary parts
5904 @cindex @code{G()}
5905 @item @code{S(n, p, x)}
5906 @tab Nielsen's generalized polylogarithm
5907 @cindex @code{S()}
5908 @item @code{H(m, x)}
5909 @tab harmonic polylogarithm
5910 @cindex @code{H()}
5911 @item @code{zeta(m)}
5912 @tab Riemann's zeta function as well as multiple zeta value
5913 @cindex @code{zeta()}
5914 @item @code{zeta(m, s)}
5915 @tab alternating Euler sum
5916 @cindex @code{zeta()}
5917 @item @code{zetaderiv(n, x)}
5918 @tab derivatives of Riemann's zeta function
5919 @item @code{iterated_integral(a, y)}
5920 @tab iterated integral
5921 @cindex @code{iterated_integral()}
5922 @item @code{iterated_integral(a, y, N)}
5923 @tab iterated integral with explicit truncation parameter
5924 @cindex @code{iterated_integral()}
5925 @item @code{tgamma(x)}
5926 @tab gamma function
5927 @cindex @code{tgamma()}
5928 @cindex gamma function
5929 @item @code{lgamma(x)}
5930 @tab logarithm of gamma function
5931 @cindex @code{lgamma()}
5932 @item @code{beta(x, y)}
5933 @tab beta function (@code{tgamma(x)*tgamma(y)/tgamma(x+y)})
5934 @cindex @code{beta()}
5935 @item @code{psi(x)}
5936 @tab psi (digamma) function
5937 @cindex @code{psi()}
5938 @item @code{psi(n, x)}
5939 @tab derivatives of psi function (polygamma functions)
5940 @item @code{EllipticK(x)}
5941 @tab complete elliptic integral of the first kind
5942 @cindex @code{EllipticK()}
5943 @item @code{EllipticE(x)}
5944 @tab complete elliptic integral of the second kind
5945 @cindex @code{EllipticE()}
5946 @item @code{factorial(n)}
5947 @tab factorial function @math{n!}
5948 @cindex @code{factorial()}
5949 @item @code{binomial(n, k)}
5950 @tab binomial coefficients
5951 @cindex @code{binomial()}
5952 @item @code{Order(x)}
5953 @tab order term function in truncated power series
5954 @cindex @code{Order()}
5955 @end multitable
5956 @end cartouche
5957
5958 @cindex branch cut
5959 For functions that have a branch cut in the complex plane, GiNaC
5960 follows the conventions of C/C++ for systems that do not support a
5961 signed zero.  In particular: the natural logarithm (@code{log}) and
5962 the square root (@code{sqrt}) both have their branch cuts running
5963 along the negative real axis. The @code{asin}, @code{acos}, and
5964 @code{atanh} functions all have two branch cuts starting at +/-1 and
5965 running away towards infinity along the real axis. The @code{atan} and
5966 @code{asinh} functions have two branch cuts starting at +/-i and
5967 running away towards infinity along the imaginary axis. The
5968 @code{acosh} function has one branch cut starting at +1 and running
5969 towards -infinity.  These functions are continuous as the branch cut
5970 is approached coming around the finite endpoint of the cut in a
5971 counter clockwise direction.
5972
5973 @c
5974 @subsection Expanding functions
5975 @cindex expand trancedent functions
5976 @cindex @code{expand_options::expand_transcendental}
5977 @cindex @code{expand_options::expand_function_args}
5978 GiNaC knows several expansion laws for trancedent functions, e.g.
5979 @tex
5980 $e^{a+b}=e^a e^b$,
5981 $|zw|=|z|\cdot |w|$
5982 @end tex
5983 @ifnottex
5984 @command{exp(a+b)=exp(a) exp(b), |zw|=|z| |w|}
5985 @end ifnottex
5986 or
5987 @tex
5988 $\log(c*d)=\log(c)+\log(d)$,
5989 @end tex
5990 @ifnottex
5991 @command{log(cd)=log(c)+log(d)}
5992 @end ifnottex
5993 (for positive
5994 @tex
5995 $c,\ d$
5996 @end tex
5997 @ifnottex
5998 @command{c, d}
5999 @end ifnottex
6000 ). In order to use these rules you need to call @code{expand()} method
6001 with the option @code{expand_options::expand_transcendental}. Another
6002 relevant option is @code{expand_options::expand_function_args}. Their
6003 usage and interaction can be seen from the following example:
6004 @example
6005 @{
6006         symbol x("x"),  y("y");
6007         ex e=exp(pow(x+y,2));
6008         cout << e.expand() << endl;
6009         // -> exp((x+y)^2)
6010         cout << e.expand(expand_options::expand_transcendental) << endl;
6011         // -> exp((x+y)^2)
6012         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args) << endl;
6013         // -> exp(2*x*y+x^2+y^2)
6014         cout << e.expand(expand_options::expand_function_args
6015                         | expand_options::expand_transcendental) << endl;
6016         // -> exp(y^2)*exp(2*x*y)*exp(x^2)
6017 @}
6018 @end example
6019 If both flags are set (as in the last call), then GiNaC tries to get
6020 the maximal expansion. For example, for the exponent GiNaC firstly expands
6021 the argument and then the function. For the logarithm and absolute value,
6022 GiNaC uses the opposite order: firstly expands the function and then its
6023 argument. Of course, a user can fine-tune this behavior by sequential
6024 calls of several @code{expand()} methods with desired flags.
6025
6026 @node Multiple polylogarithms, Iterated integrals, Built-in functions, Methods and functions
6027 @c    node-name, next, previous, up
6028 @subsection Multiple polylogarithms
6029
6030 @cindex polylogarithm
6031 @cindex Nielsen's generalized polylogarithm
6032 @cindex harmonic polylogarithm
6033 @cindex multiple zeta value
6034 @cindex alternating Euler sum
6035 @cindex multiple polylogarithm
6036
6037 The multiple polylogarithm is the most generic member of a family of functions,
6038 to which others like the harmonic polylogarithm, Nielsen's generalized
6039 polylogarithm and the multiple zeta value belong.
6040 Each of these functions can also be written as a multiple polylogarithm with specific
6041 parameters. This whole family of functions is therefore often referred to simply as
6042 multiple polylogarithms, containing @code{Li}, @code{G}, @code{H}, @code{S} and @code{zeta}.
6043 The multiple polylogarithm itself comes in two variants: @code{Li} and @code{G}. While
6044 @code{Li} and @code{G} in principle represent the same function, the different
6045 notations are more natural to the series representation or the integral
6046 representation, respectively.
6047
6048 To facilitate the discussion of these functions we distinguish between indices and
6049 arguments as parameters. In the table above indices are printed as @code{m}, @code{s},
6050 @code{n} or @code{p}, whereas arguments are printed as @code{x}, @code{a} and @code{y}.
6051
6052 To define a @code{Li}, @code{H} or @code{zeta} with a depth greater than one, you have to
6053 pass a GiNaC @code{lst} for the indices @code{m} and @code{s}, and in the case of @code{Li}
6054 for the argument @code{x} as well. The parameter @code{a} of @code{G} must always be a @code{lst} containing
6055 the arguments in expanded form. If @code{G} is used with a third parameter @code{s}, @code{s} must
6056 have the same length as @code{a}. It contains then the signs of the imaginary parts of the arguments. If
6057 @code{s} is not given, the signs default to +1.
6058 Note that @code{Li} and @code{zeta} are polymorphic in this respect. They can stand in for
6059 the classical polylogarithm and Riemann's zeta function (if depth is one), as well as for
6060 the multiple polylogarithm and the multiple zeta value, respectively. Note also, that
6061 GiNaC doesn't check whether the @code{lst}s for two parameters do have the same length.
6062 It is up to the user to ensure this, otherwise evaluating will result in undefined behavior.
6063
6064 The functions print in LaTeX format as
6065 @tex
6066 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x_1,x_2,\ldots,x_k)$, 
6067 @end tex
6068 @tex
6069 ${\rm S}_{n,p}(x)$, 
6070 @end tex
6071 @tex
6072 ${\rm H\;\!}_{m_1,m_2,\ldots,m_k}(x)$ and 
6073 @end tex
6074 @tex
6075 $\zeta(m_1,m_2,\ldots,m_k)$.
6076 @end tex
6077 @ifnottex
6078 @command{\mbox@{Li@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x_1,x_2,...,x_k)},
6079 @command{\mbox@{S@}_@{n,p@}(x)},
6080 @command{\mbox@{H@}_@{m_1,m_2,...,m_k@}(x)} and 
6081 @command{\zeta(m_1,m_2,...,m_k)} (with the dots replaced by actual parameters).
6082 @end ifnottex
6083 If @code{zeta} is an alternating zeta sum, i.e. @code{zeta(m,s)}, the indices with negative sign
6084 are printed with a line above, e.g.
6085 @tex
6086 $\zeta(5,\overline{2})$.
6087 @end tex
6088 @ifnottex
6089 @command{\zeta(5,\overline@{2@})}.
6090 @end ifnottex
6091 The order of indices and arguments in the GiNaC @code{lst}s and in the output is the same.
6092
6093 Definitions and analytical as well as numerical properties of multiple polylogarithms
6094 are too numerous to be covered here. Instead, the user is referred to the publications listed at the
6095 end of this section. The implementation in GiNaC adheres to the definitions and conventions therein,
6096 except for a few differences which will be explicitly stated in the following.
6097
6098 One difference is about the order of the indices and arguments. For GiNaC we adopt the convention
6099 that the indices and arguments are understood to be in the same order as in which they appear in
6100 the series representation. This means
6101 @tex
6102 ${\rm Li\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x,1,1) = {\rm H\;\!}_{m_1,m_2,m_3}(x)$ and 
6103 @end tex
6104 @tex
6105 ${\rm Li\;\!}_{2,1}(1,1) = \zeta(2,1) = \zeta(3)$, but
6106 @end tex
6107 @tex
6108 $\zeta(1,2)$ evaluates to infinity.
6109 @end tex
6110 @ifnottex
6111 @code{Li_@{m_1,m_2,m_3@}(x,1,1) = H_@{m_1,m_2,m_3@}(x)} and 
6112 @code{Li_@{2,1@}(1,1) = zeta(2,1) = zeta(3)}, but
6113 @code{zeta(1,2)} evaluates to infinity.
6114 @end ifnottex
6115 So in comparison to the older ones of the referenced publications the order of
6116 indices and arguments for @code{Li} is reversed.
6117
6118 The functions only evaluate if the indices are integers greater than zero, except for the indices
6119 @code{s} in @code{zeta} and @code{G} as well as @code{m} in @code{H}. Since @code{s}
6120 will be interpreted as the sequence of signs for the corresponding indices
6121 @code{m} or the sign of the imaginary part for the
6122 corresponding arguments @code{a}, it must contain 1 or -1, e.g.
6123 @code{zeta(lst@{3,4@}, lst@{-1,1@})} means
6124 @tex
6125 $\zeta(\overline{3},4)$
6126 @end tex
6127 @ifnottex
6128 @command{zeta(\overline@{3@},4)}
6129 @end ifnottex
6130 and
6131 @code{G(lst@{a,b@}, lst@{-1,1@}, c)} means
6132 @tex
6133 $G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)$.
6134 @end tex
6135 @ifnottex
6136 @command{G(a-0\epsilon,b+0\epsilon;c)}.
6137 @end ifnottex
6138 The definition of @code{H} allows indices to be 0, 1 or -1 (in expanded notation) or equally to
6139 be any integer (in compact notation). With GiNaC expanded and compact notation can be mixed,
6140 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
6141 indices. The anonymous evaluator @code{eval()} tries to reduce the functions, if possible, to
6142 the least-generic multiple polylogarithm. If all arguments are unit, it returns @code{zeta}.
6143 Arguments equal to zero get considered, too. Riemann's zeta function @code{zeta} (with depth one)
6144 evaluates also for negative integers and positive even integers. For example:
6145
6146 @example
6147 > Li(@{3,1@},@{x,1@});
6148 S(2,2,x)
6149 > H(@{-3,2@},1);
6150 -zeta(@{3,2@},@{-1,-1@})
6151 > S(3,1,1);
6152 1/90*Pi^4
6153 @end example
6154
6155 It is easy to tell for a given function into which other function it can be rewritten, may
6156 it be a less-generic or a more-generic one, except for harmonic polylogarithms @code{H}
6157 with negative indices or trailing zeros (the example above gives a hint). Signs can
6158 quickly be messed up, for example. Therefore GiNaC offers a C++ function
6159 @code{convert_H_to_Li()} to deal with the upgrade of a @code{H} to a multiple polylogarithm
6160 @code{Li} (@code{eval()} already cares for the possible downgrade):
6161
6162 @example
6163 > convert_H_to_Li(@{0,-2,-1,3@},x);
6164 Li(@{3,1,3@},@{-x,1,-1@})
6165 > convert_H_to_Li(@{2,-1,0@},x);
6166 -Li(@{2,1@},@{x,-1@})*log(x)+2*Li(@{3,1@},@{x,-1@})+Li(@{2,2@},@{x,-1@})
6167 @end example
6168
6169 Every function can be numerically evaluated for
6170 arbitrary real or complex arguments. The precision is arbitrary and can be set through the
6171 global variable @code{Digits}:
6172
6173 @example
6174 > Digits=100;
6175 100
6176 > evalf(zeta(@{3,1,3,1@}));
6177 0.005229569563530960100930652283899231589890420784634635522547448972148869544...
6178 @end example
6179
6180 Note that the convention for arguments on the branch cut in GiNaC as stated above is
6181 different from the one Remiddi and Vermaseren have chosen for the harmonic polylogarithm.
6182
6183 If a function evaluates to infinity, no exceptions are raised, but the function is returned
6184 unevaluated, e.g.
6185 @tex
6186 $\zeta(1)$.
6187 @end tex
6188 @ifnottex
6189 @command{zeta(1)}.
6190 @end ifnottex
6191 In long expressions this helps a lot with debugging, because you can easily spot
6192 the divergencies. But on the other hand, you have to make sure for yourself, that no illegal
6193 cancellations of divergencies happen.
6194
6195 Useful publications:
6196
6197 @cite{Nested Sums, Expansion of Transcendental Functions and Multi-Scale Multi-Loop Integrals}, 
6198 S.Moch, P.Uwer, S.Weinzierl, hep-ph/0110083
6199
6200 @cite{Harmonic Polylogarithms}, 
6201 E.Remiddi, J.A.M.Vermaseren, Int.J.Mod.Phys. A15 (2000), pp. 725-754
6202
6203 @cite{Special Values of Multiple Polylogarithms}, 
6204 J.Borwein, D.Bradley, D.Broadhurst, P.Lisonek, Trans.Amer.Math.Soc. 353/3 (2001), pp. 907-941
6205
6206 @cite{Numerical Evaluation of Multiple Polylogarithms}, 
6207 J.Vollinga, S.Weinzierl, hep-ph/0410259
6208
6209 @node Iterated integrals, Complex expressions, Multiple polylogarithms, Methods and functions
6210 @c    node-name, next, previous, up
6211 @subsection Iterated integrals
6212
6213 Multiple polylogarithms are a particular example of iterated integrals.
6214 An iterated integral is defined by the function @code{iterated_integral(a,y)}.
6215 The variable @code{y} gives the upper integration limit for the outermost integration, by convention the lower integration limit is always set to zero.
6216 The variable @code{a} must be a GiNaC @code{lst} containing sub-classes of @code{integration_kernel} as elements.
6217 The depth of the iterated integral corresponds to the number of elements of @code{a}.
6218 The available integrands for iterated integrals are
6219 (for a more detailed description the user is referred to the publications listed at the end of this section)
6220 @cartouche
6221 @multitable @columnfractions .40 .60
6222 @item @strong{Class} @tab @strong{Description}
6223 @item @code{integration_kernel()}
6224 @tab Base class, represents the one-form @math{dy}
6225 @cindex @code{integration_kernel()}
6226 @item @code{basic_log_kernel()}
6227 @tab Logarithmic one-form @math{dy/y}
6228 @cindex @code{basic_log_kernel()}
6229 @item @code{multiple_polylog_kernel(z_j)}
6230 @tab The one-form @math{dy/(y-z_j)}
6231 @cindex @code{multiple_polylog_kernel()}
6232 @item @code{ELi_kernel(n, m, x, y)}
6233 @tab The one form @math{ELi_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6234 @cindex @code{ELi_kernel()}
6235 @item @code{Ebar_kernel(n, m, x, y)}
6236 @tab The one form @math{\overline{E}_{n;m}(x;y;q) dq/q}
6237 @cindex @code{Ebar_kernel()}
6238 @item @code{Kronecker_dtau_kernel(k, z_j, K, C_k)}
6239 @tab The one form @math{C_k K (k-1)/(2 \pi i)^k g^{(k)}(z_j,K \tau) dq/q}
6240 @cindex @code{Kronecker_dtau_kernel()}
6241 @item @code{Kronecker_dz_kernel(k, z_j, tau, K, C_k)}
6242 @tab The one form @math{C_k (2 \pi i)^{2-k} g^{(k-1)}(z-z_j,K \tau) dz}
6243 @cindex @code{Kronecker_dz_kernel()}
6244 @item @code{Eisenstein_kernel(k, N, a, b, K, C_k)}
6245 @tab The one form @math{C_k E_{k,N,a,b,K}(\tau) dq/q}
6246 @cindex @code{Eisenstein_kernel()}
6247 @item @code{Eisenstein_h_kernel(k, N, r, s, C_k)}
6248 @tab The one form @math{C_k h_{k,N,r,s}(\tau) dq/q}
6249 @cindex @code{Eisenstein_h_kernel()}
6250 @item @code{modular_form_kernel(k, P, C_k)}
6251 @tab The one form @math{C_k P dq/q}
6252 @cindex @code{modular_form_kernel()}
6253 @item @code{user_defined_kernel(f, y)}
6254 @tab The one form @math{f(y) dy}
6255 @cindex @code{user_defined_kernel()}
6256 @end multitable
6257 @end cartouche
6258 All parameters are assumed to be such that all integration kernels have a convergent Laurent expansion
6259 around zero with at most a simple pole at zero.
6260 The iterated integral may also be called with an optional third parameter
6261 @code{iterated_integral(a,y,N_trunc)}, in which case the numerical evaluation will truncate the series
6262 expansion at order @code{N_trunc}.
6263
6264 The classes @code{Eisenstein_kernel()}, @code{Eisenstein_h_kernel()} and @code{modular_form_kernel()}
6265 provide a method @code{q_expansion_modular_form(q, order)}, which can used to obtain the q-expansion
6266 of @math{E_{k,N,a,b,K}(\tau)}, @math{h_{k,N,r,s}(\tau)} or @math{P} to the specified order.
6267
6268 Useful publications:
6269
6270 @cite{Numerical evaluation of iterated integrals related to elliptic Feynman integrals}, 
6271 M.Walden, S.Weinzierl, arXiv:2010.05271
6272
6273 @node Complex expressions, Solving linear systems of equations, Iterated integrals, Methods and functions
6274 @c    node-name, next, previous, up
6275 @section Complex expressions
6276 @c
6277 @cindex @code{conjugate()}
6278
6279 For dealing with complex expressions there are the methods
6280
6281 @example
6282 ex ex::conjugate();
6283 ex ex::real_part();
6284 ex ex::imag_part();
6285 @end example
6286
6287 that return respectively the complex conjugate, the real part and the
6288 imaginary part of an expression. Complex conjugation works as expected
6289 for all built-in functions and objects. Taking real and imaginary
6290 parts has not yet been implemented for all built-in functions. In cases where
6291 it is not known how to conjugate or take a real/imaginary part one
6292 of the functions @code{conjugate}, @code{real_part} or @code{imag_part}
6293 is returned. For instance, in case of a complex symbol @code{x}
6294 (symbols are complex by default), one could not simplify
6295 @code{conjugate(x)}. In the case of strings of gamma matrices,
6296 the @code{conjugate} method takes the Dirac conjugate.
6297
6298 For example,
6299 @example
6300 @{
6301     varidx a(symbol("a"), 4), b(symbol("b"), 4);
6302     symbol x("x");
6303     realsymbol y("y");
6304                                            
6305     cout << (3*I*x*y + sin(2*Pi*I*y)).conjugate() << endl;
6306      // -> -3*I*conjugate(x)*y+sin(-2*I*Pi*y)
6307     cout << (dirac_gamma(a)*dirac_gamma(b)*dirac_gamma5()).conjugate() << endl;
6308      // -> -gamma5*gamma~b*gamma~a
6309 @}
6310 @end example
6311
6312 If you declare your own GiNaC functions and you want to conjugate them, you
6313 will have to supply a specialized conjugation method for them (see
6314 @ref{Symbolic functions} and the GiNaC source-code for @code{abs} as an
6315 example). GiNaC does not automatically conjugate user-supplied functions
6316 by conjugating their arguments because this would be incorrect on branch
6317 cuts. Also, specialized methods can be provided to take real and imaginary
6318 parts of user-defined functions.
6319
6320 @node Solving linear systems of equations, Input/output, Complex expressions, Methods and functions
6321 @c    node-name, next, previous, up
6322 @section Solving linear systems of equations
6323 @cindex @code{lsolve()}
6324
6325 The function @code{lsolve()} provides a convenient wrapper around some
6326 matrix operations that comes in handy when a system of linear equations
6327 needs to be solved:
6328
6329 @example
6330 ex lsolve(const ex & eqns, const ex & symbols,
6331           unsigned options = solve_algo::automatic);
6332 @end example
6333
6334 Here, @code{eqns} is a @code{lst} of equalities (i.e. class
6335 @code{relational}) while @code{symbols} is a @code{lst} of
6336 indeterminates.  (@xref{The class hierarchy}, for an exposition of class
6337 @code{lst}).
6338
6339 It returns the @code{lst} of solutions as an expression.  As an example,
6340 let us solve the two equations @code{a*x+b*y==3} and @code{x-y==b}:
6341
6342 @example
6343 @{
6344     symbol a("a"), b("b"), x("x"), y("y");
6345     lst eqns = @{a*x+b*y==3, x-y==b@};
6346     lst vars = @{x, y@};
6347     cout << lsolve(eqns, vars) << endl;
6348      // -> @{x==(3+b^2)/(b+a),y==(3-b*a)/(b+a)@}
6349 @end example
6350
6351 When the linear equations @code{eqns} are underdetermined, the solution
6352 will contain one or more tautological entries like @code{x==x},
6353 depending on the rank of the system.  When they are overdetermined, the
6354 solution will be an empty @code{lst}.  Note the third optional parameter
6355 to @code{lsolve()}: it accepts the same parameters as
6356 @code{matrix::solve()}.  This is because @code{lsolve} is just a wrapper
6357 around that method.
6358
6359
6360 @node Input/output, Extending GiNaC, Solving linear systems of equations, Methods and functions
6361 @c    node-name, next, previous, up
6362 @section Input and output of expressions
6363 @cindex I/O
6364
6365 @subsection Expression output
6366 @cindex printing
6367 @cindex output of expressions
6368
6369 Expressions can simply be written to any stream:
6370
6371 @example
6372 @{
6373     symbol x("x");
6374     ex e = 4.5*I+pow(x,2)*3/2;
6375     cout << e << endl;    // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6376     // ...
6377 @end example
6378
6379 The default output format is identical to the @command{ginsh} input syntax and
6380 to that used by most computer algebra systems, but not directly pastable
6381 into a GiNaC C++ program (note that in the above example, @code{pow(x,2)}
6382 is printed as @samp{x^2}).
6383
6384 It is possible to print expressions in a number of different formats with
6385 a set of stream manipulators;
6386
6387 @example
6388 std::ostream & dflt(std::ostream & os);
6389 std::ostream & latex(std::ostream & os);
6390 std::ostream & tree(std::ostream & os);
6391 std::ostream & csrc(std::ostream & os);
6392 std::ostream & csrc_float(std::ostream & os);
6393 std::ostream & csrc_double(std::ostream & os);
6394 std::ostream & csrc_cl_N(std::ostream & os);
6395 std::ostream & index_dimensions(std::ostream & os);
6396 std::ostream & no_index_dimensions(std::ostream & os);
6397 @end example
6398
6399 The @code{tree}, @code{latex} and @code{csrc} formats are also available in
6400 @command{ginsh} via the @code{print()}, @code{print_latex()} and
6401 @code{print_csrc()} functions, respectively.
6402
6403 @cindex @code{dflt}
6404 All manipulators affect the stream state permanently. To reset the output
6405 format to the default, use the @code{dflt} manipulator:
6406
6407 @example
6408     // ...
6409     cout << latex;            // all output to cout will be in LaTeX format from
6410                               // now on
6411     cout << e << endl;        // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6412     cout << sin(x/2) << endl; // prints '\sin(\frac@{1@}@{2@} x)'
6413     cout << dflt;             // revert to default output format
6414     cout << e << endl;        // prints '4.5*I+3/2*x^2'
6415     // ...
6416 @end example
6417
6418 If you don't want to affect the format of the stream you're working with,
6419 you can output to a temporary @code{ostringstream} like this:
6420
6421 @example
6422     // ...
6423     ostringstream s;
6424     s << latex << e;         // format of cout remains unchanged
6425     cout << s.str() << endl; // prints '4.5 i+\frac@{3@}@{2@} x^@{2@}'
6426     // ...
6427 @end example
6428
6429 @anchor{csrc printing}
6430 @cindex @code{csrc}
6431 @cindex @code{csrc_float}
6432 @cindex @code{csrc_double}
6433 @cindex @code{csrc_cl_N}
6434 The @code{csrc} (an alias for @code{csrc_double}), @code{csrc_float},
6435 @code{csrc_double} and @code{csrc_cl_N} manipulators set the output to a
6436 format that can be directly used in a C or C++ program. The three possible
6437 formats select the data types used for numbers (@code{csrc_cl_N} uses the
6438 classes provided by the CLN library):
6439
6440 @example
6441     // ...
6442     cout << "f = " << csrc_float << e << ";\n";
6443     cout << "d = " << csrc_double << e << ";\n";
6444     cout << "n = " << csrc_cl_N << e << ";\n";
6445     // ...
6446 @end example
6447
6448 The above example will produce (note the @code{x^2} being converted to
6449 @code{x*x}):
6450
6451 @example
6452 f = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<float>(0.0,4.5000000e+00);
6453 d = (3.0/2.0)*(x*x)+std::complex<double>(0.0,4.5000000000000000e+00);
6454 n = cln::cl_RA("3/2")*(x*x)+cln::complex(cln::cl_I("0"),cln::cl_F("4.5_17"));
6455 @end example
6456
6457 @cindex @code{tree}
6458 The @code{tree} manipulator allows dumping the internal structure of an
6459 expression for debugging purposes:
6460
6461 @example
6462     // ...
6463     cout << tree << e;
6464 @}
6465 @end example
6466
6467 produces
6468
6469 @example
6470 add, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6471     power, hash=0x0, flags=0x3, nops=2
6472         x (symbol), serial=0, hash=0xc8d5bcdd, flags=0xf
6473         2 (numeric), hash=0x6526b0fa, flags=0xf
6474     3/2 (numeric), hash=0xf9828fbd, flags=0xf
6475     -----
6476     overall_coeff
6477     4.5L0i (numeric), hash=0xa40a97e0, flags=0xf
6478     =====
6479 @end example
6480
6481 @cindex @code{latex}
6482 The @code{latex} output format is for LaTeX parsing in mathematical mode.
6483 It is rather similar to the default format but provides some braces needed
6484 by LaTeX for delimiting boxes and also converts some common objects to
6485 conventional LaTeX names. It is possible to give symbols a special name for
6486 LaTeX output by supplying it as a second argument to the @code{symbol}
6487 constructor.
6488
6489 For example, the code snippet
6490
6491 @example
6492 @{
6493     symbol x("x", "\\circ");
6494     ex e = lgamma(x).series(x==0,3);
6495     cout << latex << e << endl;
6496 @}
6497 @end example
6498
6499 will print
6500
6501 @example
6502     @{(-\ln(\circ))@}+@{(-\gamma_E)@} \circ+@{(\frac@{1@}@{12@} \pi^@{2@})@} \circ^@{2@}
6503     +\mathcal@{O@}(\circ^@{3@})
6504 @end example
6505
6506 @cindex @code{index_dimensions}
6507 @cindex @code{no_index_dimensions}
6508 Index dimensions are normally hidden in the output. To make them visible, use
6509 the @code{index_dimensions} manipulator. The dimensions will be written in
6510 square brackets behind each index value in the default and LaTeX output
6511 formats:
6512
6513 @example
6514 @{
6515     symbol x("x"), y("y");
6516     varidx mu(symbol("mu"), 4), nu(symbol("nu"), 4);
6517     ex e = indexed(x, mu) * indexed(y, nu);
6518
6519     cout << e << endl;
6520      // prints 'x~mu*y~nu'
6521     cout << index_dimensions << e << endl;
6522      // prints 'x~mu[4]*y~nu[4]'
6523     cout << no_index_dimensions << e << endl;
6524      // prints 'x~mu*y~nu'
6525 @}
6526 @end example
6527
6528
6529 @cindex Tree traversal
6530 If you need any fancy special output format, e.g. for interfacing GiNaC
6531 with other algebra systems or for producing code for different
6532 programming languages, you can always traverse the expression tree yourself:
6533
6534 @example
6535 static void my_print(const ex & e)
6536 @{
6537     if (is_a<function>(e))
6538         cout << ex_to<function>(e).get_name();
6539     else
6540         cout << ex_to<basic>(e).class_name();
6541     cout << "(";
6542     size_t n = e.nops();
6543     if (n)
6544         for (size_t i=0; i<n; i++) @{
6545             my_print(e.op(i));
6546             if (i != n-1)
6547                 cout << ",";
6548         @}
6549     else
6550         cout << e;
6551     cout << ")";
6552 @}
6553
6554 int main()
6555 @{
6556     my_print(pow(3, x) - 2 * sin(y / Pi)); cout << endl;
6557     return 0;
6558 @}
6559 @end example
6560
6561 This will produce
6562
6563 @example
6564 add(power(numeric(3),symbol(x)),mul(sin(mul(power(constant(Pi),numeric(-1)),
6565 symbol(y))),numeric(-2)))
6566 @end example
6567
6568 If you need an output format that makes it possible to accurately
6569 reconstruct an expression by feeding the output to a suitable parser or
6570 object factory, you should consider storing the expression in an
6571 @code{archive} object and reading the object properties from there.
6572 See the section on archiving for more information.
6573
6574
6575 @subsection Expression input
6576 @cindex input of expressions
6577
6578 GiNaC provides no way to directly read an expression from a stream because
6579 you will usually want the user to be able to enter something like @samp{2*x+sin(y)}
6580 and have the @samp{x} and @samp{y} correspond to the symbols @code{x} and
6581 @code{y} you defined in your program and there is no way to specify the
6582 desired symbols to the @code{>>} stream input operator.
6583
6584 Instead, GiNaC lets you read an expression from a stream or a string,
6585 specifying the mapping between the input strings and symbols to be used:
6586
6587 @example
6588 @{
6589     symbol x, y;
6590     symtab table;
6591     table["x"] = x;
6592     table["y"] = y;
6593     parser reader(table);
6594     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6595 @}
6596 @end example
6597
6598 The input syntax is the same as that used by @command{ginsh} and the stream
6599 output operator @code{<<}. Matching between the input strings and expressions
6600 is given by @samp{table}. The @samp{table} in this example instructs GiNaC
6601 to substitute any input substring ``x'' with symbol @code{x}. Likewise,
6602 the substring ``y'' will be replaced with symbol @code{y}. It's also possible
6603 to map input (sub)strings to arbitrary expressions:
6604
6605 @example
6606 @{
6607     symbol x, y;
6608     symtab table;
6609     table["x"] = x+log(y)+1;
6610     parser reader(table);
6611     ex e = reader("5*x^3 - x^2");
6612     // e = 5*(x+log(y)+1)^3 - (x+log(y)+1)^2
6613 @}
6614 @end example
6615
6616 If no mapping is specified for a particular string GiNaC will create a symbol
6617 with corresponding name. Later on you can obtain all parser generated symbols
6618 with @code{get_syms()} method:
6619
6620 @example
6621 @{
6622     parser reader;
6623     ex e = reader("2*x+sin(y)");
6624     symtab table = reader.get_syms();
6625     symbol x = ex_to<symbol>(table["x"]);
6626     symbol y = ex_to<symbol>(table["y"]);
6627 @}
6628 @end example
6629
6630 Sometimes you might want to prevent GiNaC from inserting these extra symbols
6631 (for example, you want treat an unexpected string in the input as an error).
6632
6633 @example
6634 @{
6635         symtab table;
6636         table["x"] = symbol();
6637         parser reader(table);
6638         parser.strict = true;
6639         ex e;
6640         try @{
6641                 e = reader("2*x+sin(y)");
6642         @} catch (parse_error& err) @{
6643                 cerr << err.what() << endl;
6644                 // prints "unknown symbol "y" in the input"
6645         @}
6646 @}
6647 @end example
6648
6649 With this parser, it's also easy to implement interactive GiNaC programs.
6650 When running the following program interactively, remember to send an
6651 EOF marker after the input, e.g. by pressing Ctrl-D on an empty line:
6652
6653 @example
6654 #include <iostream>
6655 #include <string>
6656 #include <stdexcept>
6657 #include <ginac/ginac.h>
6658 using namespace std;
6659 using namespace GiNaC;
6660
6661 int main()
6662 @{
6663         cout << "Enter an expression containing 'x': " << flush;
6664         parser reader;
6665
6666         try @{
6667                 ex e = reader(cin);
6668                 symtab table = reader.get_syms();
6669                 symbol x = table.find("x") != table.end() ? 
6670                            ex_to<symbol>(table["x"]) : symbol("x");
6671                 cout << "The derivative of " << e << " with respect to x is ";
6672                 cout << e.diff(x) << "." << endl;
6673         @} catch (exception &p) @{
6674                 cerr << p.what() << endl;
6675         @}
6676 @}
6677 @end example
6678
6679 @subsection Compiling expressions to C function pointers
6680 @cindex compiling expressions
6681
6682 Numerical evaluation of algebraic expressions is seamlessly integrated into
6683 GiNaC by help of the CLN library. While CLN allows for very fast arbitrary
6684 precision numerics, which is more than sufficient for most users, sometimes only
6685 the speed of built-in floating point numbers is fast enough, e.g. for Monte
6686 Carlo integration. The only viable option then is the following: print the
6687 expression in C syntax format, manually add necessary C code, compile that
6688 program and run is as a separate application. This is not only cumbersome and
6689 involves a lot of manual intervention, but it also separates the algebraic and
6690 the numerical evaluation into different execution stages.
6691
6692 GiNaC offers a couple of functions that help to avoid these inconveniences and
6693 problems. The functions automatically perform the printing of a GiNaC expression
6694 and the subsequent compiling of its associated C code. The created object code
6695 is then dynamically linked to the currently running program. A function pointer
6696 to the C function that performs the numerical evaluation is returned and can be
6697 used instantly. This all happens automatically, no user intervention is needed.
6698
6699 The following example demonstrates the use of @code{compile_ex}:
6700
6701 @example
6702     // ...
6703     symbol x("x");
6704     ex myexpr = sin(x) / x;
6705
6706     FUNCP_1P fp;
6707     compile_ex(myexpr, x, fp);
6708
6709     cout << fp(3.2) << endl;
6710     // ...
6711 @end example
6712
6713 The function @code{compile_ex} is called with the expression to be compiled and
6714 its only free variable @code{x}. Upon successful completion the third parameter
6715 contains a valid function pointer to the corresponding C code module. If called
6716 like in the last line only built-in double precision numerics is involved.
6717
6718 @cindex FUNCP_1P
6719 @cindex FUNCP_2P
6720 @cindex FUNCP_CUBA
6721 The function pointer has to be defined in advance. GiNaC offers three function
6722 pointer types at the moment:
6723
6724 @example
6725     typedef double (*FUNCP_1P) (double);
6726     typedef double (*FUNCP_2P) (double, double);
6727     typedef void (*FUNCP_CUBA) (const int*, const double[], const int*, double[]);
6728 @end example
6729
6730 @cindex CUBA library
6731 @cindex Monte Carlo integration
6732 @code{FUNCP_2P} allows for two variables in the expression. @code{FUNCP_CUBA} is
6733 the correct type to be used with the CUBA library
6734 (@uref{http://www.feynarts.de/cuba}) for numerical integrations. The details for the
6735 parameters of @code{FUNCP_CUBA} are explained in the CUBA manual.
6736
6737 @cindex compile_ex
6738 For every function pointer type there is a matching @code{compile_ex} available:
6739
6740 @example
6741     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym, FUNCP_1P& fp,
6742                     const std::string filename = "");
6743     void compile_ex(const ex& expr, const symbol& sym1, const symbol& sym2,
6744                     FUNCP_2P& fp, const std::string filename = "");
6745     void compile_ex(const lst& exprs, const lst& syms, FUNCP_CUBA& fp,
6746                     const std::string filename = "");
6747 @end example
6748
6749 When the last parameter @code{filename} is not supplied, @code{compile_ex} will
6750 choose a unique random name for the intermediate source and object files it
6751 produces. On program termination these files will be deleted. If one wishes to
6752 keep the C code and the object files, one can supply the @code{filename}
6753 parameter. The intermediate files will use that filename and will not be
6754 deleted.
6755
6756 @cindex link_ex
6757 @code{link_ex} is a function that allows to dynamically link an existing object
6758 file and to make it available via a function pointer. This is useful if you
6759 have already used @code{compile_ex} on an expression and want to avoid the
6760 compilation step to be performed over and over again when you restart your
6761 program. The precondition for this is of course, that you have chosen a
6762 filename when you did call @code{compile_ex}. For every above mentioned
6763 function pointer type there exists a corresponding @code{link_ex} function:
6764
6765 @example
6766     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_1P& fp);
6767     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_2P& fp);
6768     void link_ex(const std::string filename, FUNCP_CUBA& fp);
6769 @end example
6770
6771 The complete filename (including the suffix @code{.so}) of the object file has
6772 to be supplied.
6773
6774 The function
6775
6776 @cindex unlink_ex
6777 @example
6778     void unlink_ex(const std::string filename);
6779 @end example
6780
6781 is supplied for the rare cases when one wishes to close the dynamically linked
6782 object files directly and have the intermediate files (only if filename has not
6783 been given) deleted. Normally one doesn't need this function, because all the
6784 clean-up will be done automatically upon (regular) program termination.
6785
6786 All the described functions will throw an exception in case they cannot perform
6787 correctly, like for example when writing the file or starting the compiler
6788 fails. Since internally the same printing methods as described in section
6789 @ref{csrc printing} are used, only functions and objects that are available in
6790 standard C will compile successfully (that excludes polylogarithms for example
6791 at the moment). Another precondition for success is, of course, that it must be
6792 possible to evaluate the expression numerically. No free variables despite the
6793 ones supplied to @code{compile_ex} should appear in the expression.
6794
6795 @cindex ginac-excompiler
6796 @code{compile_ex} uses the shell script @code{ginac-excompiler} to start the C
6797 compiler and produce the object files. This shell script comes with GiNaC and
6798 will be installed together with GiNaC in the configured @code{$LIBEXECDIR}
6799 (typically @code{$PREFIX/libexec} or @code{$PREFIX/lib/ginac}). You can also
6800 export additional compiler flags via the @env{$CXXFLAGS} variable:
6801
6802 @example
6803 setenv("CXXFLAGS", "-O3 -fomit-frame-pointer -ffast-math", 1);
6804 compile_ex(...);
6805 @end example
6806
6807 @subsection Archiving
6808 @cindex @code{archive} (class)
6809 @cindex archiving
6810
6811 GiNaC allows creating @dfn{archives} of expressions which can be stored
6812 to or retrieved from files. To create an archive, you declare an object
6813 of class @code{archive} and archive expressions in it, giving each
6814 expression a unique name:
6815
6816 @example
6817 #include <fstream>
6818 #include <ginac/ginac.h>
6819 using namespace std;
6820 using namespace GiNaC;
6821
6822 int main()
6823 @{
6824     symbol x("x"), y("y"), z("z");
6825
6826     ex foo = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
6827     ex bar = foo + 1;
6828
6829     archive a;
6830     a.archive_ex(foo, "foo");
6831     a.archive_ex(bar, "the second one");
6832     // ...
6833 @end example
6834
6835 The archive can then be written to a file:
6836
6837 @example
6838     // ...
6839     ofstream out("foobar.gar", ios::binary);
6840     out << a;
6841     out.close();
6842     // ...
6843 @end example
6844
6845 The file @file{foobar.gar} contains all information that is needed to
6846 reconstruct the expressions @code{foo} and @code{bar}. The flag
6847 @code{ios::binary} prevents locales setting of your OS tampers the
6848 archive file structure.
6849
6850 @cindex @command{viewgar}
6851 The tool @command{viewgar} that comes with GiNaC can be used to view
6852 the contents of GiNaC archive files:
6853
6854 @example
6855 $ viewgar foobar.gar
6856 foo = 41+sin(x+2*y)+3*z
6857 the second one = 42+sin(x+2*y)+3*z
6858 @end example
6859
6860 The point of writing archive files is of course that they can later be
6861 read in again:
6862
6863 @example
6864     // ...
6865     archive a2;
6866     ifstream in("foobar.gar", ios::binary);
6867     in >> a2;
6868     // ...
6869 @end example
6870
6871 And the stored expressions can be retrieved by their name:
6872
6873 @example
6874     // ...
6875     lst syms = @{x, y@};
6876
6877     ex ex1 = a2.unarchive_ex(syms, "foo");
6878     ex ex2 = a2.unarchive_ex(syms, "the second one");
6879
6880     cout << ex1 << endl;              // prints "41+sin(x+2*y)+3*z"
6881     cout << ex2 << endl;              // prints "42+sin(x+2*y)+3*z"
6882     cout << ex1.subs(x == 2) << endl; // prints "41+sin(2+2*y)+3*z"
6883 @}
6884 @end example
6885
6886 Note that you have to supply a list of the symbols which are to be inserted
6887 in the expressions. Symbols in archives are stored by their name only and
6888 if you don't specify which symbols you have, unarchiving the expression will
6889 create new symbols with that name. E.g. if you hadn't included @code{x} in
6890 the @code{syms} list above, the @code{ex1.subs(x == 2)} statement would
6891 have had no effect because the @code{x} in @code{ex1} would have been a
6892 different symbol than the @code{x} which was defined at the beginning of
6893 the program, although both would appear as @samp{x} when printed.
6894
6895 You can also use the information stored in an @code{archive} object to
6896 output expressions in a format suitable for exact reconstruction. The
6897 @code{archive} and @code{archive_node} classes have a couple of member
6898 functions that let you access the stored properties:
6899
6900 @example
6901 static void my_print2(const archive_node & n)
6902 @{
6903     string class_name;
6904     n.find_string("class", class_name);
6905     cout << class_name << "(";
6906
6907     archive_node::propinfovector p;
6908     n.get_properties(p);
6909
6910     size_t num = p.size();
6911     for (size_t i=0; i<num; i++) @{
6912         const string &name = p[i].name;
6913         if (name == "class")
6914             continue;
6915         cout << name << "=";
6916
6917         unsigned count = p[i].count;
6918         if (count > 1)
6919             cout << "@{";
6920
6921         for (unsigned j=0; j<count; j++) @{
6922             switch (p[i].type) @{
6923                 case archive_node::PTYPE_BOOL: @{
6924                     bool x;
6925                     n.find_bool(name, x, j);
6926                     cout << (x ? "true" : "false");
6927                     break;
6928                 @}
6929                 case archive_node::PTYPE_UNSIGNED: @{
6930                     unsigned x;
6931                     n.find_unsigned(name, x, j);
6932                     cout << x;
6933                     break;
6934                 @}
6935                 case archive_node::PTYPE_STRING: @{
6936                     string x;
6937                     n.find_string(name, x, j);
6938                     cout << '\"' << x << '\"';
6939                     break;
6940                 @}
6941                 case archive_node::PTYPE_NODE: @{
6942                     const archive_node &x = n.find_ex_node(name, j);
6943                     my_print2(x);
6944                     break;
6945                 @}
6946             @}
6947
6948             if (j != count-1)
6949                 cout << ",";
6950         @}
6951
6952         if (count > 1)
6953             cout << "@}";
6954
6955         if (i != num-1)
6956             cout << ",";
6957     @}
6958
6959     cout << ")";
6960 @}
6961
6962 int main()
6963 @{
6964     ex e = pow(2, x) - y;
6965     archive ar(e, "e");
6966     my_print2(ar.get_top_node(0)); cout << endl;
6967     return 0;
6968 @}
6969 @end example
6970
6971 This will produce:
6972
6973 @example
6974 add(rest=@{power(basis=numeric(number="2"),exponent=symbol(name="x")),
6975 symbol(name="y")@},coeff=@{numeric(number="1"),numeric(number="-1")@},
6976 overall_coeff=numeric(number="0"))
6977 @end example
6978
6979 Be warned, however, that the set of properties and their meaning for each
6980 class may change between GiNaC versions.
6981
6982
6983 @node Extending GiNaC, What does not belong into GiNaC, Input/output, Top
6984 @c    node-name, next, previous, up
6985 @chapter Extending GiNaC
6986
6987 By reading so far you should have gotten a fairly good understanding of
6988 GiNaC's design patterns.  From here on you should start reading the
6989 sources.  All we can do now is issue some recommendations how to tackle
6990 GiNaC's many loose ends in order to fulfill everybody's dreams.  If you
6991 develop some useful extension please don't hesitate to contact the GiNaC
6992 authors---they will happily incorporate them into future versions.
6993
6994 @menu
6995 * What does not belong into GiNaC::  What to avoid.
6996 * Symbolic functions::               Implementing symbolic functions.
6997 * Printing::                         Adding new output formats.
6998 * Structures::                       Defining new algebraic classes (the easy way).
6999 * Adding classes::                   Defining new algebraic classes (the hard way).
7000 @end menu
7001
7002
7003 @node What does not belong into GiNaC, Symbolic functions, Extending GiNaC, Extending GiNaC
7004 @c    node-name, next, previous, up
7005 @section What doesn't belong into GiNaC
7006
7007 @cindex @command{ginsh}
7008 First of all, GiNaC's name must be read literally.  It is designed to be
7009 a library for use within C++.  The tiny @command{ginsh} accompanying
7010 GiNaC makes this even more clear: it doesn't even attempt to provide a
7011 language.  There are no loops or conditional expressions in
7012 @command{ginsh}, it is merely a window into the library for the
7013 programmer to test stuff (or to show off).  Still, the design of a
7014 complete CAS with a language of its own, graphical capabilities and all
7015 this on top of GiNaC is possible and is without doubt a nice project for
7016 the future.
7017
7018 There are many built-in functions in GiNaC that do not know how to
7019 evaluate themselves numerically to a precision declared at runtime
7020 (using @code{Digits}).  Some may be evaluated at certain points, but not
7021 generally.  This ought to be fixed.  However, doing numerical
7022 computations with GiNaC's quite abstract classes is doomed to be
7023 inefficient.  For this purpose, the underlying foundation classes
7024 provided by CLN are much better suited.
7025
7026
7027 @node Symbolic functions, Printing, What does not belong into GiNaC, Extending GiNaC
7028 @c    node-name, next, previous, up
7029 @section Symbolic functions
7030
7031 The easiest and most instructive way to start extending GiNaC is probably to
7032 create your own symbolic functions. These are implemented with the help of
7033 two preprocessor macros:
7034
7035 @cindex @code{DECLARE_FUNCTION}
7036 @cindex @code{REGISTER_FUNCTION}
7037 @example
7038 DECLARE_FUNCTION_<n>P(<name>)
7039 REGISTER_FUNCTION(<name>, <options>)
7040 @end example
7041
7042 The @code{DECLARE_FUNCTION} macro will usually appear in a header file. It
7043 declares a C++ function with the given @samp{name} that takes exactly @samp{n}
7044 parameters of type @code{ex} and returns a newly constructed GiNaC
7045 @code{function} object that represents your function.
7046
7047 The @code{REGISTER_FUNCTION} macro implements the function. It must be passed
7048 the same @samp{name} as the respective @code{DECLARE_FUNCTION} macro, and a
7049 set of options that associate the symbolic function with C++ functions you
7050 provide to implement the various methods such as evaluation, derivative,
7051 series expansion etc. They also describe additional attributes the function
7052 might have, such as symmetry and commutation properties, and a name for
7053 LaTeX output. Multiple options are separated by the member access operator
7054 @samp{.} and can be given in an arbitrary order.
7055
7056 (By the way: in case you are worrying about all the macros above we can
7057 assure you that functions are GiNaC's most macro-intense classes. We have
7058 done our best to avoid macros where we can.)
7059
7060 @subsection A minimal example
7061
7062 Here is an example for the implementation of a function with two arguments
7063 that is not further evaluated:
7064
7065 @example
7066 DECLARE_FUNCTION_2P(myfcn)
7067
7068 REGISTER_FUNCTION(myfcn, dummy())
7069 @end example
7070
7071 Any code that has seen the @code{DECLARE_FUNCTION} line can use @code{myfcn()}
7072 in algebraic expressions:
7073
7074 @example
7075 @{
7076     ...
7077     symbol x("x");
7078     ex e = 2*myfcn(42, 1+3*x) - x;
7079     cout << e << endl;
7080      // prints '2*myfcn(42,1+3*x)-x'
7081     ...
7082 @}
7083 @end example
7084
7085 The @code{dummy()} option in the @code{REGISTER_FUNCTION} line signifies
7086 "no options". A function with no options specified merely acts as a kind of
7087 container for its arguments. It is a pure "dummy" function with no associated
7088 logic (which is, however, sometimes perfectly sufficient).
7089
7090 Let's now have a look at the implementation of GiNaC's cosine function for an
7091 example of how to make an "intelligent" function.
7092
7093 @subsection The cosine function
7094
7095 The GiNaC header file @file{inifcns.h} contains the line
7096
7097 @example
7098 DECLARE_FUNCTION_1P(cos)
7099 @end example
7100
7101 which declares to all programs using GiNaC that there is a function @samp{cos}
7102 that takes one @code{ex} as an argument. This is all they need to know to use
7103 this function in expressions.
7104
7105 The implementation of the cosine function is in @file{inifcns_trans.cpp}. Here
7106 is its @code{REGISTER_FUNCTION} line:
7107
7108 @example
7109 REGISTER_FUNCTION(cos, eval_func(cos_eval).
7110                        evalf_func(cos_evalf).
7111                        derivative_func(cos_deriv).
7112                        latex_name("\\cos"));
7113 @end example
7114
7115 There are four options defined for the cosine function. One of them
7116 (@code{latex_name}) gives the function a proper name for LaTeX output; the
7117 other three indicate the C++ functions in which the "brains" of the cosine
7118 function are defined.
7119
7120 @cindex @code{hold()}
7121 @cindex evaluation
7122 The @code{eval_func()} option specifies the C++ function that implements
7123 the @code{eval()} method, GiNaC's anonymous evaluator. This function takes
7124 the same number of arguments as the associated symbolic function (one in this
7125 case) and returns the (possibly transformed or in some way simplified)
7126 symbolically evaluated function (@xref{Automatic evaluation}, for a description
7127 of the automatic evaluation process). If no (further) evaluation is to take
7128 place, the @code{eval_func()} function must return the original function
7129 with @code{.hold()}, to avoid a potential infinite recursion. If your
7130 symbolic functions produce a segmentation fault or stack overflow when
7131 using them in expressions, you are probably missing a @code{.hold()}
7132 somewhere.
7133
7134 The @code{eval_func()} function for the cosine looks something like this
7135 (actually, it doesn't look like this at all, but it should give you an idea
7136 what is going on):
7137
7138 @example
7139 static ex cos_eval(const ex & x)
7140 @{
7141     if ("x is a multiple of 2*Pi")
7142         return 1;
7143     else if ("x is a multiple of Pi")
7144         return -1;
7145     else if ("x is a multiple of Pi/2")
7146         return 0;
7147     // more rules...
7148
7149     else if ("x has the form 'acos(y)'")
7150         return y;
7151     else if ("x has the form 'asin(y)'")
7152         return sqrt(1-y^2);
7153     // more rules...
7154
7155     else
7156         return cos(x).hold();
7157 @}
7158 @end example
7159
7160 This function is called every time the cosine is used in a symbolic expression:
7161
7162 @example
7163 @{
7164     ...
7165     e = cos(Pi);
7166      // this calls cos_eval(Pi), and inserts its return value into
7167      // the actual expression
7168     cout << e << endl;
7169      // prints '-1'
7170     ...
7171 @}
7172 @end example
7173
7174 In this way, @code{cos(4*Pi)} automatically becomes @math{1},
7175 @code{cos(asin(a+b))} becomes @code{sqrt(1-(a+b)^2)}, etc. If no reasonable
7176 symbolic transformation can be done, the unmodified function is returned
7177 with @code{.hold()}.
7178
7179 GiNaC doesn't automatically transform @code{cos(2)} to @samp{-0.416146...}.
7180 The user has to call @code{evalf()} for that. This is implemented in a
7181 different function:
7182
7183 @example
7184 static ex cos_evalf(const ex & x)
7185 @{
7186     if (is_a<numeric>(x))
7187         return cos(ex_to<numeric>(x));
7188     else
7189         return cos(x).hold();
7190 @}
7191 @end example
7192
7193 Since we are lazy we defer the problem of numeric evaluation to somebody else,
7194 in this case the @code{cos()} function for @code{numeric} objects, which in
7195 turn hands it over to the @code{cos()} function in CLN. The @code{.hold()}
7196 isn't really needed here, but reminds us that the corresponding @code{eval()}
7197 function would require it in this place.
7198
7199 Differentiation will surely turn up and so we need to tell @code{cos}
7200 what its first derivative is (higher derivatives, @code{.diff(x,3)} for
7201 instance, are then handled automatically by @code{basic::diff} and
7202 @code{ex::diff}):
7203
7204 @example
7205 static ex cos_deriv(const ex & x, unsigned diff_param)
7206 @{
7207     return -sin(x);
7208 @}
7209 @end example
7210
7211 @cindex product rule
7212 The second parameter is obligatory but uninteresting at this point.  It
7213 specifies which parameter to differentiate in a partial derivative in
7214 case the function has more than one parameter, and its main application
7215 is for correct handling of the chain rule.
7216
7217 Derivatives of some functions, for example @code{abs()} and
7218 @code{Order()}, could not be evaluated through the chain rule. In such
7219 cases the full derivative may be specified as shown for @code{Order()}:
7220
7221 @example
7222 static ex Order_expl_derivative(const ex & arg, const symbol & s)
7223 @{
7224         return Order(arg.diff(s));
7225 @}
7226 @end example
7227
7228 That is, we need to supply a procedure, which returns the expression of
7229 derivative with respect to the variable @code{s} for the argument
7230 @code{arg}. This procedure need to be registered with the function
7231 through the option @code{expl_derivative_func} (see the next
7232 Subsection). In contrast, a partial derivative, e.g. as was defined for
7233 @code{cos()} above, needs to be registered through the option
7234 @code{derivative_func}. 
7235
7236 An implementation of the series expansion is not needed for @code{cos()} as
7237 it doesn't have any poles and GiNaC can do Taylor expansion by itself (as
7238 long as it knows what the derivative of @code{cos()} is). @code{tan()}, on
7239 the other hand, does have poles and may need to do Laurent expansion:
7240
7241 @example
7242 static ex tan_series(const ex & x, const relational & rel,
7243                      int order, unsigned options)
7244 @{
7245     // Find the actual expansion point
7246     const ex x_pt = x.subs(rel);
7247
7248     if ("x_pt is not an odd multiple of Pi/2")
7249         throw do_taylor();  // tell function::series() to do Taylor expansion
7250
7251     // On a pole, expand sin()/cos()
7252     return (sin(x)/cos(x)).series(rel, order+2, options);
7253 @}
7254 @end example
7255
7256 The @code{series()} implementation of a function @emph{must} return a
7257 @code{pseries} object, otherwise your code will crash.
7258
7259 @subsection Function options
7260
7261 GiNaC functions understand several more options which are always
7262 specified as @code{.option(params)}. None of them are required, but you
7263 need to specify at least one option to @code{REGISTER_FUNCTION()}. There
7264 is a do-nothing option called @code{dummy()} which you can use to define
7265 functions without any special options.
7266
7267 @example
7268 eval_func(<C++ function>)
7269 evalf_func(<C++ function>)
7270 derivative_func(<C++ function>)
7271 expl_derivative_func(<C++ function>)
7272 series_func(<C++ function>)
7273 conjugate_func(<C++ function>)
7274 @end example
7275
7276 These specify the C++ functions that implement symbolic evaluation,
7277 numeric evaluation, partial derivatives, explicit derivative, and series
7278 expansion, respectively.  They correspond to the GiNaC methods
7279 @code{eval()}, @code{evalf()}, @code{diff()} and @code{series()}.
7280
7281 The @code{eval_func()} function needs to use @code{.hold()} if no further
7282 automatic evaluation is desired or possible.
7283
7284 If no @code{series_func()} is given, GiNaC defaults to simple Taylor
7285 expansion, which is correct if there are no poles involved. If the function
7286 has poles in the complex plane, the @code{series_func()} needs to check
7287 whether the expansion point is on a pole and fall back to Taylor expansion
7288 if it isn't. Otherwise, the pole usually needs to be regularized by some
7289 suitable transformation.
7290
7291 @example
7292 latex_name(const string & n)
7293 @end example
7294
7295 specifies the LaTeX code that represents the name of the function in LaTeX
7296 output. The default is to put the function name in an @code{\mbox@{@}}.
7297
7298 @example
7299 do_not_evalf_params()
7300 @end example
7301
7302 This tells @code{evalf()} to not recursively evaluate the parameters of the
7303 function before calling the @code{evalf_func()}.
7304
7305 @example
7306 set_return_type(unsigned return_type, const return_type_t * return_type_tinfo)
7307 @end example
7308
7309 This allows you to explicitly specify the commutation properties of the
7310 function (@xref{Non-commutative objects}, for an explanation of
7311 (non)commutativity in GiNaC). For example, with an object of type
7312 @code{return_type_t} created like
7313
7314 @example
7315 return_type_t my_type = make_return_type_t<matrix>();
7316 @end example
7317
7318 you can use @code{set_return_type(return_types::noncommutative, &my_type)} to
7319 make GiNaC treat your function like a matrix. By default, functions inherit the
7320 commutation properties of their first argument. The utilized template function
7321 @code{make_return_type_t<>()} 
7322
7323 @example
7324 template<typename T> inline return_type_t make_return_type_t(const unsigned rl = 0)
7325 @end example
7326
7327 can also be called with an argument specifying the representation label of the
7328 non-commutative function (see section on dirac gamma matrices for more
7329 details).
7330
7331 @example
7332 set_symmetry(const symmetry & s)
7333 @end example
7334
7335 specifies the symmetry properties of the function with respect to its
7336 arguments. @xref{Indexed objects}, for an explanation of symmetry
7337 specifications. GiNaC will automatically rearrange the arguments of
7338 symmetric functions into a canonical order.
7339
7340 Sometimes you may want to have finer control over how functions are
7341 displayed in the output. For example, the @code{abs()} function prints
7342 itself as @samp{abs(x)} in the default output format, but as @samp{|x|}
7343 in LaTeX mode, and @code{fabs(x)} in C source output. This is achieved
7344 with the
7345
7346 @example
7347 print_func<C>(<C++ function>)
7348 @end example
7349
7350 option which is explained in the next section.
7351
7352 @subsection Functions with a variable number of arguments
7353
7354 The @code{DECLARE_FUNCTION} and @code{REGISTER_FUNCTION} macros define
7355 functions with a fixed number of arguments. Sometimes, though, you may need
7356 to have a function that accepts a variable number of expressions. One way to
7357 accomplish this is to pass variable-length lists as arguments. The
7358 @code{Li()} function uses this method for multiple polylogarithms.
7359
7360 It is also possible to define functions that accept a different number of
7361 parameters under the same function name, such as the @code{psi()} function
7362 which can be called either as @code{psi(z)} (the digamma function) or as
7363 @code{psi(n, z)} (polygamma functions). These are actually two different
7364 functions in GiNaC that, however, have the same name. Defining such
7365 functions is not possible with the macros but requires manually fiddling
7366 with GiNaC internals. If you are interested, please consult the GiNaC source
7367 code for the @code{psi()} function (@file{inifcns.h} and
7368 @file{inifcns_gamma.cpp}).
7369
7370
7371 @node Printing, Structures, Symbolic functions, Extending GiNaC
7372 @c    node-name, next, previous, up
7373 @section GiNaC's expression output system
7374
7375 GiNaC allows the output of expressions in a variety of different formats
7376 (@pxref{Input/output}). This section will explain how expression output
7377 is implemented internally, and how to define your own output formats or
7378 change the output format of built-in algebraic objects. You will also want
7379 to read this section if you plan to write your own algebraic classes or
7380 functions.
7381
7382 @cindex @code{print_context} (class)
7383 @cindex @code{print_dflt} (class)
7384 @cindex @code{print_latex} (class)
7385 @cindex @code{print_tree} (class)
7386 @cindex @code{print_csrc} (class)
7387 All the different output formats are represented by a hierarchy of classes
7388 rooted in the @code{print_context} class, defined in the @file{print.h}
7389 header file:
7390
7391 @table @code
7392 @item print_dflt
7393 the default output format
7394 @item print_latex
7395 output in LaTeX mathematical mode
7396 @item print_tree
7397 a dump of the internal expression structure (for debugging)
7398 @item print_csrc
7399 the base class for C source output
7400 @item print_csrc_float
7401 C source output using the @code{float} type
7402 @item print_csrc_double
7403 C source output using the @code{double} type
7404 @item print_csrc_cl_N
7405 C source output using CLN types
7406 @end table
7407
7408 The @code{print_context} base class provides two public data members:
7409
7410 @example
7411 class print_context
7412 @{
7413     ...
7414 public:
7415     std::ostream & s;
7416     unsigned options;
7417 @};
7418 @end example
7419
7420 @code{s} is a reference to the stream to output to, while @code{options}
7421 holds flags and modifiers. Currently, there is only one flag defined:
7422 @code{print_options::print_index_dimensions} instructs the @code{idx} class
7423 to print the index dimension which is normally hidden.
7424
7425 When you write something like @code{std::cout << e}, where @code{e} is
7426 an object of class @code{ex}, GiNaC will construct an appropriate
7427 @code{print_context} object (of a class depending on the selected output
7428 format), fill in the @code{s} and @code{options} members, and call
7429
7430 @cindex @code{print()}
7431 @example
7432 void ex::print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
7433 @end example
7434
7435 which in turn forwards the call to the @code{print()} method of the
7436 top-level algebraic object contained in the expression.
7437
7438 Unlike other methods, GiNaC classes don't usually override their
7439 @code{print()} method to implement expression output. Instead, the default
7440 implementation @code{basic::print(c, level)} performs a run-time double
7441 dispatch to a function selected by the dynamic type of the object and the
7442 passed @code{print_context}. To this end, GiNaC maintains a separate method
7443 table for each class, similar to the virtual function table used for ordinary
7444 (single) virtual function dispatch.
7445
7446 The method table contains one slot for each possible @code{print_context}
7447 type, indexed by the (internally assigned) serial number of the type. Slots
7448 may be empty, in which case GiNaC will retry the method lookup with the
7449 @code{print_context} object's parent class, possibly repeating the process
7450 until it reaches the @code{print_context} base class. If there's still no
7451 method defined, the method table of the algebraic object's parent class
7452 is consulted, and so on, until a matching method is found (eventually it
7453 will reach the combination @code{basic/print_context}, which prints the
7454 object's class name enclosed in square brackets).
7455
7456 You can think of the print methods of all the different classes and output
7457 formats as being arranged in a two-dimensional matrix with one axis listing
7458 the algebraic classes and the other axis listing the @code{print_context}
7459 classes.
7460
7461 Subclasses of @code{basic} can, of course, also overload @code{basic::print()}
7462 to implement printing, but then they won't get any of the benefits of the
7463 double dispatch mechanism (such as the ability for derived classes to
7464 inherit only certain print methods from its parent, or the replacement of
7465 methods at run-time).
7466
7467 @subsection Print methods for classes
7468
7469 The method table for a class is set up either in the definition of the class,
7470 by passing the appropriate @code{print_func<C>()} option to
7471 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT()} (@xref{Adding classes}, for
7472 an example), or at run-time using @code{set_print_func<T, C>()}. The latter
7473 can also be used to override existing methods dynamically.
7474
7475 The argument to @code{print_func<C>()} and @code{set_print_func<T, C>()} can
7476 be a member function of the class (or one of its parent classes), a static
7477 member function, or an ordinary (global) C++ function. The @code{C} template
7478 parameter specifies the appropriate @code{print_context} type for which the
7479 method should be invoked, while, in the case of @code{set_print_func<>()}, the
7480 @code{T} parameter specifies the algebraic class (for @code{print_func<>()},
7481 the class is the one being implemented by
7482 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}).
7483
7484 For print methods that are member functions, their first argument must be of
7485 a type convertible to a @code{const C &}, and the second argument must be an
7486 @code{unsigned}.
7487
7488 For static members and global functions, the first argument must be of a type
7489 convertible to a @code{const T &}, the second argument must be of a type
7490 convertible to a @code{const C &}, and the third argument must be an
7491 @code{unsigned}. A global function will, of course, not have access to
7492 private and protected members of @code{T}.
7493
7494 The @code{unsigned} argument of the print methods (and of @code{ex::print()}
7495 and @code{basic::print()}) is used for proper parenthesizing of the output
7496 (and by @code{print_tree} for proper indentation). It can be used for similar
7497 purposes if you write your own output formats.
7498
7499 The explanations given above may seem complicated, but in practice it's
7500 really simple, as shown in the following example. Suppose that we want to
7501 display exponents in LaTeX output not as superscripts but with little
7502 upwards-pointing arrows. This can be achieved in the following way:
7503
7504 @example
7505 void my_print_power_as_latex(const power & p,
7506                              const print_latex & c,
7507                              unsigned level)
7508 @{
7509     // get the precedence of the 'power' class
7510     unsigned power_prec = p.precedence();
7511
7512     // if the parent operator has the same or a higher precedence
7513     // we need parentheses around the power
7514     if (level >= power_prec)
7515         c.s << '(';
7516
7517     // print the basis and exponent, each enclosed in braces, and
7518     // separated by an uparrow
7519     c.s << '@{';
7520     p.op(0).print(c, power_prec);
7521     c.s << "@}\\uparrow@{";
7522     p.op(1).print(c, power_prec);
7523     c.s << '@}';
7524
7525     // don't forget the closing parenthesis
7526     if (level >= power_prec)
7527         c.s << ')';
7528 @}
7529                                                                                 
7530 int main()
7531 @{
7532     // a sample expression
7533     symbol x("x"), y("y");
7534     ex e = -3*pow(x, 3)*pow(y, -2) + pow(x+y, 2) - 1;
7535
7536     // switch to LaTeX mode
7537     cout << latex;
7538
7539     // this prints "-1+@{(y+x)@}^@{2@}-3 \frac@{x^@{3@}@}@{y^@{2@}@}"
7540     cout << e << endl;
7541
7542     // now we replace the method for the LaTeX output of powers with
7543     // our own one
7544     set_print_func<power, print_latex>(my_print_power_as_latex);
7545
7546     // this prints "-1+@{@{(y+x)@}@}\uparrow@{2@}-3 \frac@{@{x@}\uparrow@{3@}@}@{@{y@}
7547     //              \uparrow@{2@}@}"
7548     cout << e << endl;
7549 @}
7550 @end example
7551
7552 Some notes:
7553
7554 @itemize
7555
7556 @item
7557 The first argument of @code{my_print_power_as_latex} could also have been
7558 a @code{const basic &}, the second one a @code{const print_context &}.
7559
7560 @item
7561 The above code depends on @code{mul} objects converting their operands to
7562 @code{power} objects for the purpose of printing.
7563
7564 @item
7565 The output of products including negative powers as fractions is also
7566 controlled by the @code{mul} class.
7567
7568 @item
7569 The @code{power/print_latex} method provided by GiNaC prints square roots
7570 using @code{\sqrt}, but the above code doesn't.
7571
7572 @end itemize
7573
7574 It's not possible to restore a method table entry to its previous or default
7575 value. Once you have called @code{set_print_func()}, you can only override
7576 it with another call to @code{set_print_func()}, but you can't easily go back
7577 to the default behavior again (you can, of course, dig around in the GiNaC
7578 sources, find the method that is installed at startup
7579 (@code{power::do_print_latex} in this case), and @code{set_print_func} that
7580 one; that is, after you circumvent the C++ member access control@dots{}).
7581
7582 @subsection Print methods for functions
7583
7584 Symbolic functions employ a print method dispatch mechanism similar to the
7585 one used for classes. The methods are specified with @code{print_func<C>()}
7586 function options. If you don't specify any special print methods, the function
7587 will be printed with its name (or LaTeX name, if supplied), followed by a
7588 comma-separated list of arguments enclosed in parentheses.
7589
7590 For example, this is what GiNaC's @samp{abs()} function is defined like:
7591
7592 @example
7593 static ex abs_eval(const ex & arg) @{ ... @}
7594 static ex abs_evalf(const ex & arg) @{ ... @}
7595                                                                                 
7596 static void abs_print_latex(const ex & arg, const print_context & c)
7597 @{
7598     c.s << "@{|"; arg.print(c); c.s << "|@}";
7599 @}
7600                                                                                 
7601 static void abs_print_csrc_float(const ex & arg, const print_context & c)
7602 @{
7603     c.s << "fabs("; arg.print(c); c.s << ")";
7604 @}
7605                                                                                 
7606 REGISTER_FUNCTION(abs, eval_func(abs_eval).
7607                        evalf_func(abs_evalf).
7608                        print_func<print_latex>(abs_print_latex).
7609                        print_func<print_csrc_float>(abs_print_csrc_float).
7610                        print_func<print_csrc_double>(abs_print_csrc_float));
7611 @end example
7612
7613 This will display @samp{abs(x)} as @samp{|x|} in LaTeX mode and @code{fabs(x)}
7614 in non-CLN C source output, but as @code{abs(x)} in all other formats.
7615
7616 There is currently no equivalent of @code{set_print_func()} for functions.
7617
7618 @subsection Adding new output formats
7619
7620 Creating a new output format involves subclassing @code{print_context},
7621 which is somewhat similar to adding a new algebraic class
7622 (@pxref{Adding classes}). There is a macro @code{GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT}
7623 that needs to go into the class definition, and a corresponding macro
7624 @code{GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT} that has to appear at global scope.
7625 Every @code{print_context} class needs to provide a default constructor
7626 and a constructor from an @code{std::ostream} and an @code{unsigned}
7627 options value.
7628
7629 Here is an example for a user-defined @code{print_context} class:
7630
7631 @example
7632 class print_myformat : public print_dflt
7633 @{
7634     GINAC_DECLARE_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7635 public:
7636     print_myformat(std::ostream & os, unsigned opt = 0)
7637      : print_dflt(os, opt) @{@}
7638 @};
7639
7640 print_myformat::print_myformat() : print_dflt(std::cout) @{@}
7641
7642 GINAC_IMPLEMENT_PRINT_CONTEXT(print_myformat, print_dflt)
7643 @end example
7644
7645 That's all there is to it. None of the actual expression output logic is
7646 implemented in this class. It merely serves as a selector for choosing
7647 a particular format. The algorithms for printing expressions in the new
7648 format are implemented as print methods, as described above.
7649
7650 @code{print_myformat} is a subclass of @code{print_dflt}, so it behaves
7651 exactly like GiNaC's default output format:
7652
7653 @example
7654 @{
7655     symbol x("x");
7656     ex e = pow(x, 2) + 1;
7657
7658     // this prints "1+x^2"
7659     cout << e << endl;
7660     
7661     // this also prints "1+x^2"
7662     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7663
7664     ...
7665 @}
7666 @end example
7667
7668 To fill @code{print_myformat} with life, we need to supply appropriate
7669 print methods with @code{set_print_func()}, like this:
7670
7671 @example
7672 // This prints powers with '**' instead of '^'. See the LaTeX output
7673 // example above for explanations.
7674 void print_power_as_myformat(const power & p,
7675                              const print_myformat & c,
7676                              unsigned level)
7677 @{
7678     unsigned power_prec = p.precedence();
7679     if (level >= power_prec)
7680         c.s << '(';
7681     p.op(0).print(c, power_prec);
7682     c.s << "**";
7683     p.op(1).print(c, power_prec);
7684     if (level >= power_prec)
7685         c.s << ')';
7686 @}
7687
7688 @{
7689     ...
7690     // install a new print method for power objects
7691     set_print_func<power, print_myformat>(print_power_as_myformat);
7692
7693     // now this prints "1+x**2"
7694     e.print(print_myformat()); cout << endl;
7695
7696     // but the default format is still "1+x^2"
7697     cout << e << endl;
7698 @}
7699 @end example
7700
7701
7702 @node Structures, Adding classes, Printing, Extending GiNaC
7703 @c    node-name, next, previous, up
7704 @section Structures
7705
7706 If you are doing some very specialized things with GiNaC, or if you just
7707 need some more organized way to store data in your expressions instead of
7708 anonymous lists, you may want to implement your own algebraic classes.
7709 ('algebraic class' means any class directly or indirectly derived from
7710 @code{basic} that can be used in GiNaC expressions).
7711
7712 GiNaC offers two ways of accomplishing this: either by using the
7713 @code{structure<T>} template class, or by rolling your own class from
7714 scratch. This section will discuss the @code{structure<T>} template which
7715 is easier to use but more limited, while the implementation of custom
7716 GiNaC classes is the topic of the next section. However, you may want to
7717 read both sections because many common concepts and member functions are
7718 shared by both concepts, and it will also allow you to decide which approach
7719 is most suited to your needs.
7720
7721 The @code{structure<T>} template, defined in the GiNaC header file
7722 @file{structure.h}, wraps a type that you supply (usually a C++ @code{struct}
7723 or @code{class}) into a GiNaC object that can be used in expressions.
7724
7725 @subsection Example: scalar products
7726
7727 Let's suppose that we need a way to handle some kind of abstract scalar
7728 product of the form @samp{<x|y>} in expressions. Objects of the scalar
7729 product class have to store their left and right operands, which can in turn
7730 be arbitrary expressions. Here is a possible way to represent such a
7731 product in a C++ @code{struct}:
7732
7733 @example
7734 #include <iostream>
7735 #include <ginac/ginac.h>
7736 using namespace std;
7737 using namespace GiNaC;
7738
7739 struct sprod_s @{
7740     ex left, right;
7741
7742     sprod_s() @{@}
7743     sprod_s(ex l, ex r) : left(l), right(r) @{@}
7744 @};
7745 @end example
7746
7747 The default constructor is required. Now, to make a GiNaC class out of this
7748 data structure, we need only one line:
7749
7750 @example
7751 typedef structure<sprod_s> sprod;
7752 @end example
7753
7754 That's it. This line constructs an algebraic class @code{sprod} which
7755 contains objects of type @code{sprod_s}. We can now use @code{sprod} in
7756 expressions like any other GiNaC class:
7757
7758 @example
7759 ...
7760     symbol a("a"), b("b");
7761     ex e = sprod(sprod_s(a, b));
7762 ...
7763 @end example
7764
7765 Note the difference between @code{sprod} which is the algebraic class, and
7766 @code{sprod_s} which is the unadorned C++ structure containing the @code{left}
7767 and @code{right} data members. As shown above, an @code{sprod} can be
7768 constructed from an @code{sprod_s} object.
7769
7770 If you find the nested @code{sprod(sprod_s())} constructor too unwieldy,
7771 you could define a little wrapper function like this:
7772
7773 @example
7774 inline ex make_sprod(ex left, ex right)
7775 @{
7776     return sprod(sprod_s(left, right));
7777 @}
7778 @end example
7779
7780 The @code{sprod_s} object contained in @code{sprod} can be accessed with
7781 the GiNaC @code{ex_to<>()} function followed by the @code{->} operator or
7782 @code{get_struct()}:
7783
7784 @example
7785 ...
7786     cout << ex_to<sprod>(e)->left << endl;
7787      // -> a
7788     cout << ex_to<sprod>(e).get_struct().right << endl;
7789      // -> b
7790 ...
7791 @end example
7792
7793 You only have read access to the members of @code{sprod_s}.
7794
7795 The type definition of @code{sprod} is enough to write your own algorithms
7796 that deal with scalar products, for example:
7797
7798 @example
7799 ex swap_sprod(ex p)
7800 @{
7801     if (is_a<sprod>(p)) @{
7802         const sprod_s & sp = ex_to<sprod>(p).get_struct();
7803         return make_sprod(sp.right, sp.left);
7804     @} else
7805         return p;
7806 @}
7807
7808 ...
7809     f = swap_sprod(e);
7810      // f is now <b|a>
7811 ...
7812 @end example
7813
7814 @subsection Structure output
7815
7816 While the @code{sprod} type is useable it still leaves something to be
7817 desired, most notably proper output:
7818
7819 @example
7820 ...
7821     cout << e << endl;
7822      // -> [structure object]
7823 ...
7824 @end example
7825
7826 By default, any structure types you define will be printed as
7827 @samp{[structure object]}. To override this you can either specialize the
7828 template's @code{print()} member function, or specify print methods with
7829 @code{set_print_func<>()}, as described in @ref{Printing}. Unfortunately,
7830 it's not possible to supply class options like @code{print_func<>()} to
7831 structures, so for a self-contained structure type you need to resort to
7832 overriding the @code{print()} function, which is also what we will do here.
7833
7834 The member functions of GiNaC classes are described in more detail in the
7835 next section, but it shouldn't be hard to figure out what's going on here:
7836
7837 @example
7838 void sprod::print(const print_context & c, unsigned level) const
7839 @{
7840     // tree debug output handled by superclass
7841     if (is_a<print_tree>(c))
7842         inherited::print(c, level);
7843
7844     // get the contained sprod_s object
7845     const sprod_s & sp = get_struct();
7846
7847     // print_context::s is a reference to an ostream
7848     c.s << "<" << sp.left << "|" << sp.right << ">";
7849 @}
7850 @end example
7851
7852 Now we can print expressions containing scalar products:
7853
7854 @example
7855 ...
7856     cout << e << endl;
7857      // -> <a|b>
7858     cout << swap_sprod(e) << endl;
7859      // -> <b|a>
7860 ...
7861 @end example
7862
7863 @subsection Comparing structures
7864
7865 The @code{sprod} class defined so far still has one important drawback: all
7866 scalar products are treated as being equal because GiNaC doesn't know how to
7867 compare objects of type @code{sprod_s}. This can lead to some confusing
7868 and undesired behavior:
7869
7870 @example
7871 ...
7872     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7873      // -> 0
7874     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7875      // -> 2*<a|b> or 2*<a^2|b^2> (which one is undefined)
7876 ...
7877 @end example
7878
7879 To remedy this, we first need to define the operators @code{==} and @code{<}
7880 for objects of type @code{sprod_s}:
7881
7882 @example
7883 inline bool operator==(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7884 @{
7885     return lhs.left.is_equal(rhs.left) && lhs.right.is_equal(rhs.right);
7886 @}
7887
7888 inline bool operator<(const sprod_s & lhs, const sprod_s & rhs)
7889 @{
7890     return lhs.left.compare(rhs.left) < 0
7891            ? true : lhs.right.compare(rhs.right) < 0;
7892 @}
7893 @end example
7894
7895 The ordering established by the @code{<} operator doesn't have to make any
7896 algebraic sense, but it needs to be well defined. Note that we can't use
7897 expressions like @code{lhs.left == rhs.left} or @code{lhs.left < rhs.left}
7898 in the implementation of these operators because they would construct
7899 GiNaC @code{relational} objects which in the case of @code{<} do not
7900 establish a well defined ordering (for arbitrary expressions, GiNaC can't
7901 decide which one is algebraically 'less').
7902
7903 Next, we need to change our definition of the @code{sprod} type to let
7904 GiNaC know that an ordering relation exists for the embedded objects:
7905
7906 @example
7907 typedef structure<sprod_s, compare_std_less> sprod;
7908 @end example
7909
7910 @code{sprod} objects then behave as expected:
7911
7912 @example
7913 ...
7914     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7915      // -> <a|b>-<a^2|b^2>
7916     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a*a, b*b) << endl;
7917      // -> <a|b>+<a^2|b^2>
7918     cout << make_sprod(a, b) - make_sprod(a, b) << endl;
7919      // -> 0
7920     cout << make_sprod(a, b) + make_sprod(a, b) << endl;
7921      // -> 2*<a|b>
7922 ...
7923 @end example
7924
7925 The @code{compare_std_less} policy parameter tells GiNaC to use the
7926 @code{std::less} and @code{std::equal_to} functors to compare objects of
7927 type @code{sprod_s}. By default, these functors forward their work to the
7928 standard @code{<} and @code{==} operators, which we have overloaded.
7929 Alternatively, we could have specialized @code{std::less} and
7930 @code{std::equal_to} for class @code{sprod_s}.
7931
7932 GiNaC provides two other comparison policies for @code{structure<T>}
7933 objects: the default @code{compare_all_equal}, and @code{compare_bitwise}
7934 which does a bit-wise comparison of the contained @code{T} objects.
7935 This should be used with extreme care because it only works reliably with
7936 built-in integral types, and it also compares any padding (filler bytes of
7937 undefined value) that the @code{T} class might have.
7938
7939 @subsection Subexpressions
7940
7941 Our scalar product class has two subexpressions: the left and right
7942 operands. It might be a good idea to make them accessible via the standard
7943 @code{nops()} and @code{op()} methods:
7944
7945 @example
7946 size_t sprod::nops() const
7947 @{
7948     return 2;
7949 @}
7950
7951 ex sprod::op(size_t i) const
7952 @{
7953     switch (i) @{
7954     case 0:
7955         return get_struct().left;
7956     case 1:
7957         return get_struct().right;
7958     default:
7959         throw std::range_error("sprod::op(): no such operand");
7960     @}
7961 @}
7962 @end example
7963
7964 Implementing @code{nops()} and @code{op()} for container types such as
7965 @code{sprod} has two other nice side effects:
7966
7967 @itemize @bullet
7968 @item
7969 @code{has()} works as expected
7970 @item
7971 GiNaC generates better hash keys for the objects (the default implementation
7972 of @code{calchash()} takes subexpressions into account)
7973 @end itemize
7974
7975 @cindex @code{let_op()}
7976 There is a non-const variant of @code{op()} called @code{let_op()} that
7977 allows replacing subexpressions:
7978
7979 @example
7980 ex & sprod::let_op(size_t i)
7981 @{
7982     // every non-const member function must call this
7983     ensure_if_modifiable();
7984
7985     switch (i) @{
7986     case 0:
7987         return get_struct().left;
7988     case 1:
7989         return get_struct().right;
7990     default:
7991         throw std::range_error("sprod::let_op(): no such operand");
7992     @}
7993 @}
7994 @end example
7995
7996 Once we have provided @code{let_op()} we also get @code{subs()} and
7997 @code{map()} for free. In fact, every container class that returns a non-null
7998 @code{nops()} value must either implement @code{let_op()} or provide custom
7999 implementations of @code{subs()} and @code{map()}.
8000
8001 In turn, the availability of @code{map()} enables the recursive behavior of a
8002 couple of other default method implementations, in particular @code{evalf()},
8003 @code{evalm()}, @code{normal()}, @code{diff()} and @code{expand()}. Although
8004 we probably want to provide our own version of @code{expand()} for scalar
8005 products that turns expressions like @samp{<a+b|c>} into @samp{<a|c>+<b|c>}.
8006 This is left as an exercise for the reader.
8007
8008 The @code{structure<T>} template defines many more member functions that
8009 you can override by specialization to customize the behavior of your
8010 structures. You are referred to the next section for a description of
8011 some of these (especially @code{eval()}). There is, however, one topic
8012 that shall be addressed here, as it demonstrates one peculiarity of the
8013 @code{structure<T>} template: archiving.
8014
8015 @subsection Archiving structures
8016
8017 If you don't know how the archiving of GiNaC objects is implemented, you
8018 should first read the next section and then come back here. You're back?
8019 Good.
8020
8021 To implement archiving for structures it is not enough to provide
8022 specializations for the @code{archive()} member function and the
8023 unarchiving constructor (the @code{unarchive()} function has a default
8024 implementation). You also need to provide a unique name (as a string literal)
8025 for each structure type you define. This is because in GiNaC archives,
8026 the class of an object is stored as a string, the class name.
8027
8028 By default, this class name (as returned by the @code{class_name()} member
8029 function) is @samp{structure} for all structure classes. This works as long
8030 as you have only defined one structure type, but if you use two or more you
8031 need to provide a different name for each by specializing the
8032 @code{get_class_name()} member function. Here is a sample implementation
8033 for enabling archiving of the scalar product type defined above:
8034
8035 @example
8036 const char *sprod::get_class_name() @{ return "sprod"; @}
8037
8038 void sprod::archive(archive_node & n) const
8039 @{
8040     inherited::archive(n);
8041     n.add_ex("left", get_struct().left);
8042     n.add_ex("right", get_struct().right);
8043 @}
8044
8045 sprod::structure(const archive_node & n, lst & sym_lst) : inherited(n, sym_lst)
8046 @{
8047     n.find_ex("left", get_struct().left, sym_lst);
8048     n.find_ex("right", get_struct().right, sym_lst);
8049 @}
8050 @end example
8051
8052 Note that the unarchiving constructor is @code{sprod::structure} and not
8053 @code{sprod::sprod}, and that we don't need to supply an
8054 @code{sprod::unarchive()} function.
8055
8056
8057 @node Adding classes, A comparison with other CAS, Structures, Extending GiNaC
8058 @c    node-name, next, previous, up
8059 @section Adding classes
8060
8061 The @code{structure<T>} template provides an way to extend GiNaC with custom
8062 algebraic classes that is easy to use but has its limitations, the most
8063 severe of which being that you can't add any new member functions to
8064 structures. To be able to do this, you need to write a new class definition
8065 from scratch.
8066
8067 This section will explain how to implement new algebraic classes in GiNaC by
8068 giving the example of a simple 'string' class. After reading this section
8069 you will know how to properly declare a GiNaC class and what the minimum
8070 required member functions are that you have to implement. We only cover the
8071 implementation of a 'leaf' class here (i.e. one that doesn't contain
8072 subexpressions). Creating a container class like, for example, a class
8073 representing tensor products is more involved but this section should give
8074 you enough information so you can consult the source to GiNaC's predefined
8075 classes if you want to implement something more complicated.
8076
8077 @subsection Hierarchy of algebraic classes.
8078
8079 @cindex hierarchy of classes
8080 All algebraic classes (that is, all classes that can appear in expressions)
8081 in GiNaC are direct or indirect subclasses of the class @code{basic}. So a
8082 @code{basic *} represents a generic pointer to an algebraic class. Working
8083 with such pointers directly is cumbersome (think of memory management), hence
8084 GiNaC wraps them into @code{ex} (@pxref{Expressions are reference counted}).
8085 To make such wrapping possible every algebraic class has to implement several
8086 methods. Visitors (@pxref{Visitors and tree traversal}), printing, and 
8087 (un)archiving (@pxref{Input/output}) require helper methods too. But don't
8088 worry, most of the work is simplified by the following macros (defined
8089 in @file{registrar.h}):
8090 @itemize @bullet
8091 @item @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}
8092 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}
8093 @item @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT}
8094 @end itemize
8095
8096 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro inserts declarations
8097 required for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8098 It takes the name of the class and its direct superclass as arguments.
8099 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} should be the first line after
8100 the opening brace of the class definition.
8101
8102 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} takes the same arguments as
8103 @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS}. It initializes certain static
8104 members of a class so that printing and (un)archiving works. The
8105 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} may appear anywhere else in
8106 the source (at global scope, of course, not inside a function).
8107
8108 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT} is a variant of
8109 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS}. It allows specifying additional
8110 options, such as custom printing functions.
8111
8112 @subsection A minimalistic example
8113
8114 Now we will start implementing a new class @code{mystring} that allows
8115 placing character strings in algebraic expressions (this is not very useful,
8116 but it's just an example). This class will be a direct subclass of
8117 @code{basic}. You can use this sample implementation as a starting point
8118 for your own classes @footnote{The self-contained source for this example is
8119 included in GiNaC, see the @file{doc/examples/mystring.cpp} file.}.
8120
8121 The code snippets given here assume that you have included some header files
8122 as follows:
8123
8124 @example
8125 #include <iostream>
8126 #include <string>   
8127 #include <stdexcept>
8128 #include <ginac/ginac.h>
8129 using namespace std;
8130 using namespace GiNaC;
8131 @end example
8132
8133 Now we can write down the class declaration. The class stores a C++
8134 @code{string} and the user shall be able to construct a @code{mystring}
8135 object from a string:
8136
8137 @example
8138 class mystring : public basic
8139 @{
8140     GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8141   
8142 public:
8143     mystring(const string & s);
8144
8145 private:
8146     string str;
8147 @};
8148
8149 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8150 @end example
8151
8152 The @code{GINAC_DECLARE_REGISTERED_CLASS} macro insert declarations required
8153 for memory management, visitors, printing, and (un)archiving.
8154 @code{GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS} initializes certain static members
8155 of a class so that printing and (un)archiving works.
8156
8157 Now there are three member functions we have to implement to get a working
8158 class:
8159
8160 @itemize
8161
8162 @item
8163 @code{mystring()}, the default constructor.
8164
8165 @item
8166 @cindex @code{compare_same_type()}
8167 @code{int compare_same_type(const basic & other)}, which is used internally
8168 by GiNaC to establish a canonical sort order for terms. It returns 0, +1 or
8169 -1, depending on the relative order of this object and the @code{other}
8170 object. If it returns 0, the objects are considered equal.
8171 @strong{Please notice:} This has nothing to do with the (numeric) ordering
8172 relationship expressed by @code{<}, @code{>=} etc (which cannot be defined
8173 for non-numeric classes). For example, @code{numeric(1).compare_same_type(numeric(2))}
8174 may return +1 even though 1 is clearly smaller than 2. Every GiNaC class
8175 must provide a @code{compare_same_type()} function, even those representing
8176 objects for which no reasonable algebraic ordering relationship can be
8177 defined.
8178
8179 @item
8180 And, of course, @code{mystring(const string& s)} which is the constructor
8181 we declared.
8182
8183 @end itemize
8184
8185 Let's proceed step-by-step. The default constructor looks like this:
8186
8187 @example
8188 mystring::mystring() @{ @}
8189 @end example
8190
8191 In the default constructor you should set all other member variables to
8192 reasonable default values (we don't need that here since our @code{str}
8193 member gets set to an empty string automatically).
8194
8195 Our @code{compare_same_type()} function uses a provided function to compare
8196 the string members:
8197
8198 @example
8199 int mystring::compare_same_type(const basic & other) const
8200 @{
8201     const mystring &o = static_cast<const mystring &>(other);
8202     int cmpval = str.compare(o.str);
8203     if (cmpval == 0)
8204         return 0;
8205     else if (cmpval < 0)
8206         return -1;
8207     else
8208         return 1;
8209 @}
8210 @end example
8211
8212 Although this function takes a @code{basic &}, it will always be a reference
8213 to an object of exactly the same class (objects of different classes are not
8214 comparable), so the cast is safe. If this function returns 0, the two objects
8215 are considered equal (in the sense that @math{A-B=0}), so you should compare
8216 all relevant member variables.
8217
8218 Now the only thing missing is our constructor:
8219
8220 @example
8221 mystring::mystring(const string& s) : str(s) @{ @}
8222 @end example
8223
8224 No surprises here. We set the @code{str} member from the argument.
8225
8226 That's it! We now have a minimal working GiNaC class that can store
8227 strings in algebraic expressions. Let's confirm that the RTTI works:
8228
8229 @example
8230 ex e = mystring("Hello, world!");
8231 cout << is_a<mystring>(e) << endl;
8232  // -> 1 (true)
8233
8234 cout << ex_to<basic>(e).class_name() << endl;
8235  // -> mystring
8236 @end example
8237
8238 Obviously it does. Let's see what the expression @code{e} looks like:
8239
8240 @example
8241 cout << e << endl;
8242  // -> [mystring object]
8243 @end example
8244
8245 Hm, not exactly what we expect, but of course the @code{mystring} class
8246 doesn't yet know how to print itself. This can be done either by implementing
8247 the @code{print()} member function, or, preferably, by specifying a
8248 @code{print_func<>()} class option. Let's say that we want to print the string
8249 surrounded by double quotes:
8250
8251 @example
8252 class mystring : public basic
8253 @{
8254     ...
8255 protected:
8256     void do_print(const print_context & c, unsigned level = 0) const;
8257     ...
8258 @};
8259
8260 void mystring::do_print(const print_context & c, unsigned level) const
8261 @{
8262     // print_context::s is a reference to an ostream
8263     c.s << '\"' << str << '\"';
8264 @}
8265 @end example
8266
8267 The @code{level} argument is only required for container classes to
8268 correctly parenthesize the output.
8269
8270 Now we need to tell GiNaC that @code{mystring} objects should use the
8271 @code{do_print()} member function for printing themselves. For this, we
8272 replace the line
8273
8274 @example
8275 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS(mystring, basic)
8276 @end example
8277
8278 with
8279
8280 @example
8281 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_OPT(mystring, basic,
8282   print_func<print_context>(&mystring::do_print))
8283 @end example
8284
8285 Let's try again to print the expression:
8286
8287 @example
8288 cout << e << endl;
8289  // -> "Hello, world!"
8290 @end example
8291
8292 Much better. If we wanted to have @code{mystring} objects displayed in a
8293 different way depending on the output format (default, LaTeX, etc.), we
8294 would have supplied multiple @code{print_func<>()} options with different
8295 template parameters (@code{print_dflt}, @code{print_latex}, etc.),
8296 separated by dots. This is similar to the way options are specified for
8297 symbolic functions. @xref{Printing}, for a more in-depth description of the
8298 way expression output is implemented in GiNaC.
8299
8300 The @code{mystring} class can be used in arbitrary expressions:
8301
8302 @example
8303 e += mystring("GiNaC rulez"); 
8304 cout << e << endl;
8305  // -> "GiNaC rulez"+"Hello, world!"
8306 @end example
8307
8308 (GiNaC's automatic term reordering is in effect here), or even
8309
8310 @example
8311 e = pow(mystring("One string"), 2*sin(Pi-mystring("Another string")));
8312 cout << e << endl;
8313  // -> "One string"^(2*sin(-"Another string"+Pi))
8314 @end example
8315
8316 Whether this makes sense is debatable but remember that this is only an
8317 example. At least it allows you to implement your own symbolic algorithms
8318 for your objects.
8319
8320 Note that GiNaC's algebraic rules remain unchanged:
8321
8322 @example
8323 e = mystring("Wow") * mystring("Wow");
8324 cout << e << endl;
8325  // -> "Wow"^2
8326
8327 e = pow(mystring("First")-mystring("Second"), 2);
8328 cout << e.expand() << endl;
8329  // -> -2*"First"*"Second"+"First"^2+"Second"^2
8330 @end example
8331
8332 There's no way to, for example, make GiNaC's @code{add} class perform string
8333 concatenation. You would have to implement this yourself.
8334
8335 @subsection Automatic evaluation
8336
8337 @cindex evaluation
8338 @cindex @code{eval()}
8339 @cindex @code{hold()}
8340 When dealing with objects that are just a little more complicated than the
8341 simple string objects we have implemented, chances are that you will want to
8342 have some automatic simplifications or canonicalizations performed on them.
8343 This is done in the evaluation member function @code{eval()}. Let's say that
8344 we wanted all strings automatically converted to lowercase with
8345 non-alphabetic characters stripped, and empty strings removed:
8346
8347 @example
8348 class mystring : public basic
8349 @{
8350     ...
8351 public:
8352     ex eval() const override;
8353     ...
8354 @};
8355
8356 ex mystring::eval() const
8357 @{
8358     string new_str;
8359     for (size_t i=0; i<str.length(); i++) @{
8360         char c = str[i];
8361         if (c >= 'A' && c <= 'Z') 
8362             new_str += tolower(c);
8363         else if (c >= 'a' && c <= 'z')
8364             new_str += c;
8365     @}
8366
8367     if (new_str.length() == 0)
8368         return 0;
8369
8370     return mystring(new_str).hold();
8371 @}
8372 @end example
8373
8374 The @code{hold()} member function sets a flag in the object that prevents
8375 further evaluation.  Otherwise we might end up in an endless loop.  When you
8376 want to return the object unmodified, use @code{return this->hold();}.
8377
8378 If our class had subobjects, we would have to evaluate them first (unless
8379 they are all of type @code{ex}, which are automatically evaluated). We don't
8380 have any subexpressions in the @code{mystring} class, so we are not concerned
8381 with this.
8382
8383 Let's confirm that it works:
8384
8385 @example
8386 ex e = mystring("Hello, world!") + mystring("!?#");
8387 cout << e << endl;
8388  // -> "helloworld"
8389
8390 e = mystring("Wow!") + mystring("WOW") + mystring(" W ** o ** W");  
8391 cout << e << endl;
8392  // -> 3*"wow"
8393 @end example
8394
8395 @subsection Optional member functions
8396
8397 We have implemented only a small set of member functions to make the class
8398 work in the GiNaC framework. There are two functions that are not strictly
8399 required but will make operations with objects of the class more efficient:
8400
8401 @cindex @code{calchash()}
8402 @cindex @code{is_equal_same_type()}
8403 @example
8404 unsigned calchash() const override;
8405 bool is_equal_same_type(const basic & other) const override;
8406 @end example
8407
8408 The @code{calchash()} method returns an @code{unsigned} hash value for the
8409 object which will allow GiNaC to compare and canonicalize expressions much
8410 more efficiently. You should consult the implementation of some of the built-in
8411 GiNaC classes for examples of hash functions. The default implementation of
8412 @code{calchash()} calculates a hash value out of the @code{tinfo_key} of the
8413 class and all subexpressions that are accessible via @code{op()}.
8414
8415 @code{is_equal_same_type()} works like @code{compare_same_type()} but only
8416 tests for equality without establishing an ordering relation, which is often
8417 faster. The default implementation of @code{is_equal_same_type()} just calls
8418 @code{compare_same_type()} and tests its result for zero.
8419
8420 @subsection Other member functions
8421
8422 For a real algebraic class, there are probably some more functions that you
8423 might want to provide:
8424
8425 @example
8426 bool info(unsigned inf) const override;
8427 ex evalf() const override;
8428 ex series(const relational & r, int order, unsigned options = 0) const override;
8429 ex derivative(const symbol & s) const override;
8430 @end example
8431
8432 If your class stores sub-expressions (see the scalar product example in the
8433 previous section) you will probably want to override
8434
8435 @cindex @code{let_op()}
8436 @example
8437 size_t nops() const override;
8438 ex op(size_t i) const override;
8439 ex & let_op(size_t i) override;
8440 ex subs(const lst & ls, const lst & lr, unsigned options = 0) const override;
8441 ex map(map_function & f) const override;
8442 @end example
8443
8444 @code{let_op()} is a variant of @code{op()} that allows write access. The
8445 default implementations of @code{subs()} and @code{map()} use it, so you have
8446 to implement either @code{let_op()}, or @code{subs()} and @code{map()}.
8447
8448 You can, of course, also add your own new member functions. Remember
8449 that the RTTI may be used to get information about what kinds of objects
8450 you are dealing with (the position in the class hierarchy) and that you
8451 can always extract the bare object from an @code{ex} by stripping the
8452 @code{ex} off using the @code{ex_to<mystring>(e)} function when that
8453 should become a need.
8454
8455 That's it. May the source be with you!
8456
8457 @subsection Upgrading extension classes from older version of GiNaC
8458
8459 GiNaC used to use a custom run time type information system (RTTI). It was
8460 removed from GiNaC. Thus, one needs to rewrite constructors which set
8461 @code{tinfo_key} (which does not exist any more). For example,
8462
8463 @example
8464 myclass::myclass() : inherited(&myclass::tinfo_static) @{@}
8465 @end example
8466
8467 needs to be rewritten as
8468
8469 @example
8470 myclass::myclass() @{@}
8471 @end example
8472
8473 @node A comparison with other CAS, Advantages, Adding classes, Top
8474 @c    node-name, next, previous, up
8475 @chapter A Comparison With Other CAS
8476 @cindex advocacy
8477
8478 This chapter will give you some information on how GiNaC compares to
8479 other, traditional Computer Algebra Systems, like @emph{Maple},
8480 @emph{Mathematica} or @emph{Reduce}, where it has advantages and
8481 disadvantages over these systems.
8482
8483 @menu
8484 * Advantages::                       Strengths of the GiNaC approach.
8485 * Disadvantages::                    Weaknesses of the GiNaC approach.
8486 * Why C++?::                         Attractiveness of C++.
8487 @end menu
8488
8489 @node Advantages, Disadvantages, A comparison with other CAS, A comparison with other CAS
8490 @c    node-name, next, previous, up
8491 @section Advantages
8492
8493 GiNaC has several advantages over traditional Computer
8494 Algebra Systems, like 
8495
8496 @itemize @bullet
8497
8498 @item
8499 familiar language: all common CAS implement their own proprietary
8500 grammar which you have to learn first (and maybe learn again when your
8501 vendor decides to `enhance' it).  With GiNaC you can write your program
8502 in common C++, which is standardized.
8503
8504 @cindex STL
8505 @item
8506 structured data types: you can build up structured data types using
8507 @code{struct}s or @code{class}es together with STL features instead of
8508 using unnamed lists of lists of lists.
8509
8510 @item
8511 strongly typed: in CAS, you usually have only one kind of variables
8512 which can hold contents of an arbitrary type.  This 4GL like feature is
8513 nice for novice programmers, but dangerous.
8514     
8515 @item
8516 development tools: powerful development tools exist for C++, like fancy
8517 editors (e.g. with automatic indentation and syntax highlighting),
8518 debuggers, visualization tools, documentation generators@dots{}
8519
8520 @item
8521 modularization: C++ programs can easily be split into modules by
8522 separating interface and implementation.
8523
8524 @item
8525 price: GiNaC is distributed under the GNU Public License which means
8526 that it is free and available with source code.  And there are excellent
8527 C++-compilers for free, too.
8528     
8529 @item
8530 extendable: you can add your own classes to GiNaC, thus extending it on
8531 a very low level.  Compare this to a traditional CAS that you can
8532 usually only extend on a high level by writing in the language defined
8533 by the parser.  In particular, it turns out to be almost impossible to
8534 fix bugs in a traditional system.
8535
8536 @item
8537 multiple interfaces: Though real GiNaC programs have to be written in
8538 some editor, then be compiled, linked and executed, there are more ways
8539 to work with the GiNaC engine.  Many people want to play with
8540 expressions interactively, as in traditional CASs: The tiny
8541 @command{ginsh} that comes with the distribution exposes many, but not
8542 all, of GiNaC's types to a command line.
8543
8544 @item
8545 seamless integration: it is somewhere between difficult and impossible
8546 to call CAS functions from within a program written in C++ or any other
8547 programming language and vice versa.  With GiNaC, your symbolic routines
8548 are part of your program.  You can easily call third party libraries,
8549 e.g. for numerical evaluation or graphical interaction.  All other
8550 approaches are much more cumbersome: they range from simply ignoring the
8551 problem (i.e. @emph{Maple}) to providing a method for `embedding' the
8552 system (i.e. @emph{Yacas}).
8553
8554 @item
8555 efficiency: often large parts of a program do not need symbolic
8556 calculations at all.  Why use large integers for loop variables or
8557 arbitrary precision arithmetics where @code{int} and @code{double} are
8558 sufficient?  For pure symbolic applications, GiNaC is comparable in
8559 speed with other CAS.
8560
8561 @end itemize
8562
8563
8564 @node Disadvantages, Why C++?, Advantages, A comparison with other CAS
8565 @c    node-name, next, previous, up
8566 @section Disadvantages
8567
8568 Of course it also has some disadvantages:
8569
8570 @itemize @bullet
8571
8572 @item
8573 advanced features: GiNaC cannot compete with a program like
8574 @emph{Reduce} which exists for more than 30 years now or @emph{Maple}
8575 which grows since 1981 by the work of dozens of programmers, with
8576 respect to mathematical features.  Integration, 
8577 non-trivial simplifications, limits etc. are missing in GiNaC (and are
8578 not planned for the near future).
8579
8580 @item
8581 portability: While the GiNaC library itself is designed to avoid any
8582 platform dependent features (it should compile on any ANSI compliant C++
8583 compiler), the currently used version of the CLN library (fast large
8584 integer and arbitrary precision arithmetics) can only by compiled
8585 without hassle on systems with the C++ compiler from the GNU Compiler
8586 Collection (GCC).@footnote{This is because CLN uses PROVIDE/REQUIRE like
8587 macros to let the compiler gather all static initializations, which
8588 works for GNU C++ only.  Feel free to contact the authors in case you
8589 really believe that you need to use a different compiler.  We have
8590 occasionally used other compilers and may be able to give you advice.}
8591 GiNaC uses recent language features like explicit constructors, mutable
8592 members, RTTI, @code{dynamic_cast}s and STL, so ANSI compliance is meant
8593 literally.
8594     
8595 @end itemize
8596
8597
8598 @node Why C++?, Internal structures, Disadvantages, A comparison with other CAS
8599 @c    node-name, next, previous, up
8600 @section Why C++?
8601
8602 Why did we choose to implement GiNaC in C++ instead of Java or any other
8603 language?  C++ is not perfect: type checking is not strict (casting is
8604 possible), separation between interface and implementation is not
8605 complete, object oriented design is not enforced.  The main reason is
8606 the often scolded feature of operator overloading in C++.  While it may
8607 be true that operating on classes with a @code{+} operator is rarely
8608 meaningful, it is perfectly suited for algebraic expressions.  Writing
8609 @math{3x+5y} as @code{3*x+5*y} instead of
8610 @code{x.times(3).plus(y.times(5))} looks much more natural.
8611 Furthermore, the main developers are more familiar with C++ than with
8612 any other programming language.
8613
8614
8615 @node Internal structures, Expressions are reference counted, Why C++? , Top
8616 @c    node-name, next, previous, up
8617 @appendix Internal structures
8618
8619 @menu
8620 * Expressions are reference counted::
8621 * Internal representation of products and sums::
8622 @end menu
8623
8624 @node Expressions are reference counted, Internal representation of products and sums, Internal structures, Internal structures
8625 @c    node-name, next, previous, up
8626 @appendixsection Expressions are reference counted
8627
8628 @cindex reference counting
8629 @cindex copy-on-write
8630 @cindex garbage collection
8631 In GiNaC, there is an @emph{intrusive reference-counting} mechanism at work
8632 where the counter belongs to the algebraic objects derived from class
8633 @code{basic} but is maintained by the smart pointer class @code{ptr}, of
8634 which @code{ex} contains an instance. If you understood that, you can safely
8635 skip the rest of this passage.
8636
8637 Expressions are extremely light-weight since internally they work like
8638 handles to the actual representation.  They really hold nothing more
8639 than a pointer to some other object.  What this means in practice is
8640 that whenever you create two @code{ex} and set the second equal to the
8641 first no copying process is involved. Instead, the copying takes place
8642 as soon as you try to change the second.  Consider the simple sequence
8643 of code:
8644
8645 @example
8646 #include <iostream>
8647 #include <ginac/ginac.h>
8648 using namespace std;
8649 using namespace GiNaC;
8650
8651 int main()
8652 @{
8653     symbol x("x"), y("y"), z("z");
8654     ex e1, e2;
8655
8656     e1 = sin(x + 2*y) + 3*z + 41;
8657     e2 = e1;                // e2 points to same object as e1
8658     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+41
8659     e2 += 1;                // e2 is copied into a new object
8660     cout << e2 << endl;     // prints sin(x+2*y)+3*z+42
8661 @}
8662 @end example
8663
8664 The line @code{e2 = e1;} creates a second expression pointing to the
8665 object held already by @code{e1}.  The time involved for this operation
8666 is therefore constant, no matter how large @code{e1} was.  Actual
8667 copying, however, must take place in the line @code{e2 += 1;} because
8668 @code{e1} and @code{e2} are not handles for the same object any more.
8669 This concept is called @dfn{copy-on-write semantics}.  It increases
8670 performance considerably whenever one object occurs multiple times and
8671 represents a simple garbage collection scheme because when an @code{ex}
8672 runs out of scope its destructor checks whether other expressions handle
8673 the object it points to too and deletes the object from memory if that
8674 turns out not to be the case.  A slightly less trivial example of
8675 differentiation using the chain-rule should make clear how powerful this
8676 can be:
8677
8678 @example
8679 @{
8680     symbol x("x"), y("y");
8681
8682     ex e1 = x + 3*y;
8683     ex e2 = pow(e1, 3);
8684     ex e3 = diff(sin(e2), x);   // first derivative of sin(e2) by x
8685     cout << e1 << endl          // prints x+3*y
8686          << e2 << endl          // prints (x+3*y)^3
8687          << e3 << endl;         // prints 3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)
8688 @}
8689 @end example
8690
8691 Here, @code{e1} will actually be referenced three times while @code{e2}
8692 will be referenced two times.  When the power of an expression is built,
8693 that expression needs not be copied.  Likewise, since the derivative of
8694 a power of an expression can be easily expressed in terms of that
8695 expression, no copying of @code{e1} is involved when @code{e3} is
8696 constructed.  So, when @code{e3} is constructed it will print as
8697 @code{3*(x+3*y)^2*cos((x+3*y)^3)} but the argument of @code{cos()} only
8698 holds a reference to @code{e2} and the factor in front is just
8699 @code{3*e1^2}.
8700
8701 As a user of GiNaC, you cannot see this mechanism of copy-on-write
8702 semantics.  When you insert an expression into a second expression, the
8703 result behaves exactly as if the contents of the first expression were
8704 inserted.  But it may be useful to remember that this is not what
8705 happens.  Knowing this will enable you to write much more efficient
8706 code.  If you still have an uncertain feeling with copy-on-write
8707 semantics, we recommend you have a look at the
8708 @uref{https://isocpp.org/faq, C++-FAQ's} chapter on memory management.
8709 It covers this issue and presents an implementation which is pretty
8710 close to the one in GiNaC.
8711
8712
8713 @node Internal representation of products and sums, Package tools, Expressions are reference counted, Internal structures
8714 @c    node-name, next, previous, up
8715 @appendixsection Internal representation of products and sums
8716
8717 @cindex representation
8718 @cindex @code{add}
8719 @cindex @code{mul}
8720 @cindex @code{power}
8721 Although it should be completely transparent for the user of
8722 GiNaC a short discussion of this topic helps to understand the sources
8723 and also explain performance to a large degree.  Consider the 
8724 unexpanded symbolic expression 
8725 @tex
8726 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$
8727 @end tex
8728 @ifnottex
8729 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}
8730 @end ifnottex
8731 which could naively be represented by a tree of linear containers for
8732 addition and multiplication, one container for exponentiation with base
8733 and exponent and some atomic leaves of symbols and numbers in this
8734 fashion:
8735
8736 @ifnotinfo
8737 @image{repnaive}
8738 @end ifnotinfo
8739 @ifinfo
8740 <PICTURE MISSING>
8741 @end ifinfo
8742
8743 @cindex pair-wise representation
8744 However, doing so results in a rather deeply nested tree which will
8745 quickly become inefficient to manipulate.  We can improve on this by
8746 representing the sum as a sequence of terms, each one being a pair of a
8747 purely numeric multiplicative coefficient and its rest.  In the same
8748 spirit we can store the multiplication as a sequence of terms, each
8749 having a numeric exponent and a possibly complicated base, the tree
8750 becomes much more flat:
8751
8752 @ifnotinfo
8753 @image{reppair}
8754 @end ifnotinfo
8755 @ifinfo
8756 <PICTURE MISSING>
8757 @end ifinfo
8758
8759 The number @code{3} above the symbol @code{d} shows that @code{mul}
8760 objects are treated similarly where the coefficients are interpreted as
8761 @emph{exponents} now.  Addition of sums of terms or multiplication of
8762 products with numerical exponents can be coded to be very efficient with
8763 such a pair-wise representation.  Internally, this handling is performed
8764 by most CAS in this way.  It typically speeds up manipulations by an
8765 order of magnitude.  The overall multiplicative factor @code{2} and the
8766 additive term @code{-3} look somewhat out of place in this
8767 representation, however, since they are still carrying a trivial
8768 exponent and multiplicative factor @code{1} respectively.  Within GiNaC,
8769 this is avoided by adding a field that carries an overall numeric
8770 coefficient.  This results in the realistic picture of internal
8771 representation for
8772 @tex
8773 $2d^3 \left( 4a + 5b - 3 \right)$:
8774 @end tex
8775 @ifnottex
8776 @math{2*d^3*(4*a+5*b-3)}:
8777 @end ifnottex
8778
8779 @ifnotinfo
8780 @image{repreal}
8781 @end ifnotinfo
8782 @ifinfo
8783 <PICTURE MISSING>
8784 @end ifinfo
8785
8786 @cindex radical
8787 This also allows for a better handling of numeric radicals, since
8788 @code{sqrt(2)} can now be carried along calculations.  Now it should be
8789 clear, why both classes @code{add} and @code{mul} are derived from the
8790 same abstract class: the data representation is the same, only the
8791 semantics differs.  In the class hierarchy, methods for polynomial
8792 expansion and the like are reimplemented for @code{add} and @code{mul},
8793 but the data structure is inherited from @code{expairseq}.
8794
8795
8796 @node Package tools, Configure script options, Internal representation of products and sums, Top
8797 @c    node-name, next, previous, up
8798 @appendix Package tools
8799
8800 If you are creating a software package that uses the GiNaC library,
8801 setting the correct command line options for the compiler and linker can
8802 be difficult.  The @command{pkg-config} utility makes this process
8803 easier.  GiNaC supplies all necessary data in @file{ginac.pc} (installed
8804 into @code{/usr/local/lib/pkgconfig} by default). To compile a simple
8805 program use @footnote{If GiNaC is installed into some non-standard
8806 directory @var{prefix} one should set the @var{PKG_CONFIG_PATH}
8807 environment variable to @var{prefix}/lib/pkgconfig for this to work.}
8808 @example
8809 g++ -o simple simple.cpp `pkg-config --cflags --libs ginac`
8810 @end example
8811
8812 This command line might expand to (for example):
8813 @example
8814 g++ -o simple simple.cpp -lginac -lcln
8815 @end example
8816
8817 Not only is the form using @command{pkg-config} easier to type, it will
8818 work on any system, no matter how GiNaC was configured.
8819
8820 For packages configured using GNU automake, @command{pkg-config} also
8821 provides the @code{PKG_CHECK_MODULES} macro to automate the process of
8822 checking for libraries
8823
8824 @example
8825 PKG_CHECK_MODULES(MYAPP, ginac >= MINIMUM_VERSION, 
8826                   [@var{ACTION-IF-FOUND}],
8827                   [@var{ACTION-IF-NOT-FOUND}])
8828 @end example
8829
8830 This macro:
8831
8832 @itemize @bullet
8833
8834 @item
8835 Determines the location of GiNaC using data from @file{ginac.pc}, which is
8836 either found in the default @command{pkg-config} search path, or from 
8837 the environment variable @env{PKG_CONFIG_PATH}.
8838
8839 @item
8840 Tests the installed libraries to make sure that their version
8841 is later than @var{MINIMUM-VERSION}.
8842
8843 @item
8844 If the required version was found, sets the @env{MYAPP_CFLAGS} variable
8845 to the output of @command{pkg-config --cflags ginac} and the @env{MYAPP_LIBS}
8846 variable to the output of @command{pkg-config --libs ginac}, and calls
8847 @samp{AC_SUBST()} for these variables so they can be used in generated
8848 makefiles, and then executes @var{ACTION-IF-FOUND}.
8849
8850 @item
8851 If the required version was not found, executes @var{ACTION-IF-NOT-FOUND}.
8852
8853 @end itemize
8854
8855 @menu
8856 * Configure script options::  Configuring a package that uses GiNaC
8857 * Example package::           Example of a package using GiNaC
8858 @end menu
8859
8860
8861 @node Configure script options, Example package, Package tools, Package tools 
8862 @c    node-name, next, previous, up
8863 @appendixsection Configuring a package that uses GiNaC
8864
8865 The directory where the GiNaC libraries are installed needs
8866 to be found by your system's dynamic linkers (both compile- and run-time
8867 ones).  See the documentation of your system linker for details.  Also
8868 make sure that @file{ginac.pc} is in @command{pkg-config}'s search path,
8869 @xref{pkg-config, ,pkg-config, *manpages*}.
8870
8871 The short summary below describes how to do this on a GNU/Linux
8872 system.
8873
8874 Suppose GiNaC is installed into the directory @samp{PREFIX}. To tell
8875 the linkers where to find the library one should
8876
8877 @itemize @bullet
8878 @item
8879 edit @file{/etc/ld.so.conf} and run @command{ldconfig}. For example,
8880 @example
8881 # echo PREFIX/lib >> /etc/ld.so.conf
8882 # ldconfig
8883 @end example
8884
8885 @item
8886 or set the environment variables @env{LD_LIBRARY_PATH} and @env{LD_RUN_PATH}
8887 @example
8888 $ export LD_LIBRARY_PATH=PREFIX/lib
8889 $ export LD_RUN_PATH=PREFIX/lib
8890 @end example
8891
8892 @item
8893 or give a @samp{-L} and @samp{--rpath} flags when running configure,
8894 for instance:
8895
8896 @example
8897 $ LDFLAGS='-Wl,-LPREFIX/lib -Wl,--rpath=PREFIX/lib' ./configure
8898 @end example
8899 @end itemize
8900
8901 To tell @command{pkg-config} where the @file{ginac.pc} file is,
8902 set the @env{PKG_CONFIG_PATH} environment variable:
8903 @example
8904 $ export PKG_CONFIG_PATH=PREFIX/lib/pkgconfig
8905 @end example
8906
8907 Finally, run the @command{configure} script
8908 @example
8909 $ ./configure 
8910 @end example
8911
8912 @c There are many other ways to do the same, @xref{Options, ,Command Line Options, ld, GNU ld manual}.
8913
8914 @node Example package, Bibliography, Configure script options, Package tools
8915 @c    node-name, next, previous, up
8916 @appendixsection Example of a package using GiNaC
8917
8918 The following shows how to build a simple package using automake
8919 and the @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro. The program used here is @file{simple.cpp}:
8920
8921 @example
8922 #include <iostream>
8923 #include <ginac/ginac.h>
8924
8925 int main()
8926 @{
8927     GiNaC::symbol x("x");
8928     GiNaC::ex a = GiNaC::sin(x);
8929     std::cout << "Derivative of " << a 
8930               << " is " << a.diff(x) << std::endl;
8931     return 0;
8932 @}
8933 @end example
8934
8935 You should first read the introductory portions of the automake
8936 Manual, if you are not already familiar with it.
8937
8938 Two files are needed, @file{configure.ac}, which is used to build the
8939 configure script:
8940
8941 @example
8942 dnl Process this file with autoreconf to produce a configure script.
8943 AC_INIT([simple], 1.0.0, bogus@@example.net)
8944 AC_CONFIG_SRCDIR(simple.cpp)
8945 AM_INIT_AUTOMAKE([foreign 1.8])
8946
8947 AC_PROG_CXX
8948 AC_PROG_INSTALL
8949 AC_LANG([C++])
8950
8951 PKG_CHECK_MODULES(SIMPLE, ginac >= 1.3.7)
8952
8953 AC_OUTPUT(Makefile)
8954 @end example
8955
8956 The @samp{PKG_CHECK_MODULES} macro does the following: If a GiNaC version
8957 greater or equal than 1.3.7 is found, then it defines @var{SIMPLE_CFLAGS}
8958 and @var{SIMPLE_LIBS}. Otherwise, it dies with the error message like
8959 @example
8960 configure: error: Package requirements (ginac >= 1.3.7) were not met:
8961
8962 Requested 'ginac >= 1.3.7' but version of GiNaC is 1.3.5
8963
8964 Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
8965 installed software in a non-standard prefix.
8966
8967 Alternatively, you may set the environment variables SIMPLE_CFLAGS
8968 and SIMPLE_LIBS to avoid the need to call pkg-config.
8969 See the pkg-config man page for more details.
8970 @end example
8971
8972 And the @file{Makefile.am}, which will be used to build the Makefile.
8973
8974 @example
8975 ## Process this file with automake to produce Makefile.in
8976 bin_PROGRAMS = simple
8977 simple_SOURCES = simple.cpp
8978 simple_CPPFLAGS = $(SIMPLE_CFLAGS)
8979 simple_LDADD = $(SIMPLE_LIBS)
8980 @end example
8981
8982 This @file{Makefile.am}, says that we are building a single executable,
8983 from a single source file @file{simple.cpp}. Since every program
8984 we are building uses GiNaC we could have simply added @var{SIMPLE_CFLAGS}
8985 to @var{CPPFLAGS} and @var{SIMPLE_LIBS} to @var{LIBS}. However, it is
8986 more flexible to specify libraries and complier options on a per-program
8987 basis.
8988
8989 To try this example out, create a new directory and add the three
8990 files above to it.
8991
8992 Now execute the following command:
8993
8994 @example
8995 $ autoreconf -i
8996 @end example
8997
8998 You now have a package that can be built in the normal fashion
8999
9000 @example
9001 $ ./configure
9002 $ make
9003 $ make install
9004 @end example
9005
9006
9007 @node Bibliography, Concept index, Example package, Top
9008 @c    node-name, next, previous, up
9009 @appendix Bibliography
9010
9011 @itemize @minus{}
9012
9013 @item
9014 @cite{ISO/IEC 14882:2011: Programming Languages: C++}
9015
9016 @item
9017 @cite{CLN: A Class Library for Numbers}, @email{haible@@ilog.fr, Bruno Haible}
9018
9019 @item
9020 @cite{The C++ Programming Language}, Bjarne Stroustrup, 3rd Edition, ISBN 0-201-88954-4, Addison Wesley
9021
9022 @item
9023 @cite{C++ FAQs}, Marshall Cline, ISBN 0-201-58958-3, 1995, Addison Wesley
9024
9025 @item
9026 @cite{Algorithms for Computer Algebra}, Keith O. Geddes, Stephen R. Czapor,
9027 and George Labahn, ISBN 0-7923-9259-0, 1992, Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts
9028
9029 @item
9030 @cite{Computer Algebra: Systems and Algorithms for Algebraic Computation},
9031 James H. Davenport, Yvon Siret and Evelyne Tournier, ISBN 0-12-204230-1, 1988, 
9032 Academic Press, London
9033
9034 @item
9035 @cite{Computer Algebra Systems - A Practical Guide},
9036 Michael J. Wester (editor), ISBN 0-471-98353-5, 1999, Wiley, Chichester
9037
9038 @item
9039 @cite{The Art of Computer Programming, Vol 2: Seminumerical Algorithms},
9040 Donald E. Knuth, ISBN 0-201-89684-2, 1998, Addison Wesley
9041
9042 @item
9043 @cite{Pi Unleashed}, J@"org Arndt and Christoph Haenel,
9044 ISBN 3-540-66572-2, 2001, Springer, Heidelberg
9045
9046 @item
9047 @cite{The Role of gamma5 in Dimensional Regularization}, Dirk Kreimer, hep-ph/9401354
9048
9049 @end itemize
9050
9051
9052 @node Concept index, , Bibliography, Top
9053 @c    node-name, next, previous, up
9054 @unnumbered Concept index
9055
9056 @printindex cp
9057
9058 @bye