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